DE102009054055A1

DE102009054055A1 - Schaltbare Vorrichtung zur Druckversorgung

Info

Publication number: DE102009054055A1
Application number: DE102009054055A
Authority: DE
Inventors: Mathias Boegershausen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-11-20
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-05-26
Also published as: EP2501905A2; EP2501905B1; WO2011061217A3; WO2011061217A2; US20120304953A1; US8813709B2; CN102667073B; CN102667073A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine schaltbare Vorrichtung zur Druckversorgung mindestens eines Verbrauchers einer Brennkraftmaschine, welche umfasst: ein Gehäuse mit einem Gehäusehohlraum; ein im Gehäusehohlraum angeordnetes Verlagerungselement, das zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verlagerbar ist, wobei das Verlagerungselement mit einer Druckfläche versehen ist, die gemeinsam mit einer Gehäusehohlraumwand einen mit dem Verbraucher fluidleitend verbindbaren Vorratsraum zumindest teilweise begrenzt, wobei der Vorratsraum mit einer Druckquelle fluidleitend verbindbar ist; einen mit dem Verlagerungselement zusammenwirkenden Kraftspeicher, wobei das Verlagerungselement durch Druckbeaufschlagung des Vorratsraums gegen die Kraft des Kraftspeichers von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung verlagerbar ist; einen Verriegelungsmechanismus, durch den das Verlagerungselement in der zweiten Endstellung verriegelbar ist; einen durch einen Aktuator betätigbaren Schaltmechanismus mit einem in wenigstens zwei Schaltstellungen bringbaren Schaltelement, das mit dem Verriegelungsmechanismus so zusammenwirkt, dass das Verlagerungselement in einer ersten Schaltstellung des Schaltelements verriegelbar oder entriegelbar ist und in einer zweiten Schaltstellung des Schaltelements nicht verriegelbar oder nicht entriegelbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Brennkraftmaschinen und betrifft eine schaltbare Vorrichtung zur Druckversorgung zumindest eines Verbrauchers einer Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Aus der Patentschrift EP 1197641 A2 ist ein Druckspeicher zum Unterstützen einer hydraulisch verstellbaren Nockenwelle bekannt, bei der ein Druckmittelfluss in oder aus dem Druckspeicher durch Verwendung unterschiedlicher Magnetventile gesteuert wird.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2007 056 684 A1 der Anmelderin zeigt einen Druckspeicher mit einem eigenem Gehäuse.
Weiterhin beschreibt die deutsche Offenlegungsschrift DE 10228354 A1 einen in einen inneren Hohlraum einer Nockenwelle integrierten Druckspeicher, wodurch Bauraum in der Brennkraftmaschine eingespart werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, herkömmliche Druckspeicher zur Druckversorgung von Verbrauchern in einer Brennkraftmaschine in vorteilhafter Weise weiterzubilden.
Lösung der Aufgabe
Diese und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch eine schaltbare Vorrichtung zur Druckversorgung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
Erfindungsgemäß ist eine schaltbare Vorrichtung zur Druckversorgung (schaltbarer Druckspeicher) mindestens eines Verbrauchers einer Brennkraftmaschine gezeigt. Bei dem Verbraucher kann es sich insbesondere um einen hydraulischen Nockenwellenversteller zur Verstellung der Phasenlage zwischen Kurbel- und Nockenwelle handeln. Denkbar ist jedoch auch, dass die Vorrichtung beispielsweise bei einer elektrohydraulischen Ventilbetätigungsvorrichtung der Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
Die Vorrichtung zur Druckversorgung umfasst ein Gehäuse mit einem Hohlraum. Bei dem Hohlraum kann es sich beispielsweise um einen inneren Hohlraum einer Nockenwelle handeln, so dass die Nockenwelle das Gehäuse der schaltbaren Vorrichtung bildet. Alternativ kann auch ein von der hohlen Nockenwelle verschiedenes Gehäuse mit einem Hohlraum vorgesehen sein, welches dann in einen inneren Hohlraum der Nockenwelle eingesetzt wird.
Die Vorrichtung zur Druckversorgung umfasst weiterhin ein im Gehäusehohlraum angeordnetes Verlagerungselement, das zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verlagerbar ist. Das Verlagerungselement weist eine Druckfläche auf, die gemeinsam mit einer Wand des Gehäusehohlraums einen mit dem Verbraucher fluidleitend verbindbaren oder verbundenen Vorratsraum zumindest teilweise begrenzt. Der Vorratsraum ist mit einer Druck- bzw. Druckmittelquelle fluidleitend verbindbar oder verbunden. Beispielsweise ist der Vorratsraum an den Schmierölkreis der Brennkraftmaschine angeschlossen, wobei eine Ölpumpe als Druckquelle dient und Öl des Schmierölkreises als Druckmittel verwendet wird. Das Verlagerungselement kann beispielsweise in Form eines Kolbens mit einer stirnseitigen Druckfläche ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Kraftspeicher, der mit dem Verlagerungselement so zusammenwirkt, dass das Verlagerungselement durch Druckbeaufschlagung des Vorratsraums gegen die Kraft des Kraftspeichers von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung verlagert werden kann. Der Kraftspeicher ist beispielsweise als Federelement, insbesondere in Form einer Druckfeder, ausgebildet, wobei auch jeder andere geeignete Federtyp eingesetzt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin einen Verriegelungsmechanismus, durch den das Verlagerungselement in der zweiten Endstellung, in der der Kraftspeicher gespannt ist, lösbar verriegelt werden kann. In einer von der zweiten Endstellung verschiedenen Stellung des Verlagerungselements, insbesondere in der ersten Endstellung, kann das Verlagerungselement durch den Verriegelungsmechanismus nicht verriegelt werden.
Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen durch einen Aktuator betätigten Schaltmechanismus mit einem Schaltelement, das in wenigstens zwei Schaltstellungen gebracht werden kann, wobei das Schaltelement so mit dem Verriegelungsmechanismus zusammenwirkt, dass das Verlagerungselement in einer ersten Schaltstellung des Schaltelements sowohl aus einem entriegelten Zustand verriegelbar als auch aus einem verriegelten Zustand entriegelbar ist und in einer zweiten Schaltstellung des Schaltelements im entriegelten Zustand weder verriegelbar noch im verriegelten Zustand entriegelbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht bei vergleichsweise geringem Bauraumbedarf eine zuverlässige und sichere Druckversorgung von Verbrauchern einer Brennkraftmaschine, die unabhängig vom Druck im Schmierkreislauf der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese ein mit dem Gehäuse starr verbundenes Kugelträgerelement mit einem Trägerhohlraum, in dem das Schaltelement zumindest teilweise aufgenommen ist. Dabei weist das Kugelträgerelement eine Mehrzahl Öffnungen auf, in denen jeweils eine Kugel radial beweglich aufgenommen ist. Die Kugeln liegen einer vom Schaltelement geformten Außenmantelfläche an. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Vorrichtung weiterhin ein mit dem Verlagerungselement starr verbundenes Verriegelungselement, das mit einem Verriegelungsabschnitt versehen ist, der in zweiter Endstellung des Verlagerungselements in Eingriff mit den Kugeln gelangen kann, beispielsweise indem er diese hintergreift, um hierdurch das Verlagerungselement am Gehäuse zu verriegeln. Andererseits kann das Verriegelungselement in erster Endstellung des Verlagerungselements nicht in Eingriff mit den Kugeln gelangen, so dass das Verlagerungselement nicht verriegelt ist. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist des Weiteren ein Rückstellelement vorgesehen, das so angeordnet ist, dass das Schaltelement gegen die Kraft des Rückstellelements durch den Aktuator von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung relativ zum Kugelträgerelement verlagerbar ist. Das erste Rückstellelement ist beispielsweise als Federelement, insbesondere in Form einer Druckfeder, ausgebildet, wobei auch jeder andere geeignete Federtyp einsetzbar ist. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Außenmantelfläche des Schaltelements mit zumindest einer den Kugeln zugeordneten Ausnehmung versehen, die so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Kugeln in der zweiten Schaltstellung des Schaltelements in der Ausnehmung zumindest teilweise aufgenommen werden können, so dass der Verriegelungsabschnitt außer Eingriff mit den Kugeln gelangt und die Arretierung des Verlagerungselements gelöst wird. Andererseits werden die Kugeln von der Ausnehmung der Stützfläche in der ersten Schaltstellung des Schaltelements nicht aufgenommen, so dass die Arretierung des Verlagerungselements beibehalten wird.
Diese Maßnahmen ermöglichen eine technisch besonders einfache Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich durch ein besonders gutes Ansprechverhalten auszeichnet.
In obiger Ausgestaltung der Erfindung kann es weiterhin von Vorteil sein, wenn ein mit dem Kugelträgerelement starr verbundenes Sicherungselement angeordnet ist, welches einen Anschlag für eine radial auswärts gerichtete Bewegung der Kugeln bildet, derart, dass die Kugeln in den Öffnungen verliergesichert aufgenommen sind. In einer technisch einfachen Realisierung des Sicherungselements ist dieses topfförmig ausgebildet und von einer Seite her auf das Kugelträgerelement aufgebracht. Dabei können das Sicherungselement und das Kugelträgerelement beispielsweise durch Verpressen starr miteinander verbunden sein. Durch das Sicherungselement wird somit eine Verliersicherung für die Kugeln geschaffen, wenn diese nicht in Eingriff mit dem Verriegelungsabschnitt des Verriegelungselements sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckversorgung ist diese mit einem den Hohlraum nach außen hin verschließenden Verschlusselement versehen, an dem sich der Kraftspeicher des Verlagerungselements abstützt. Das Verschlusselement kann dabei insbesondere zur Lagesicherung des Kraftspeichers dienen. In diesem Fall kann es weiterhin von Vorteil sein, wenn das Kugelträgerelement mit dem Verschlusselement starr verbunden ist. Zudem kann es von Vorteil sein, wenn das Verschlusselement mit einer Durchgangsöffnung versehen ist, in der ein mit dem Schaltelement zusammenwirkender, vom Aktuator betätigbarer Schaltkörper verlagerbar aufgenommen ist. Durch diese Maßnahmen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in besonders einfacher Weise technisch realisiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Vorratsraum unter Zwischenschaltung mindestens einer Auslaufsicherung mit der Druckquelle und gegebenenfalls dem Verbraucher fluidleitend verbindbar oder verbunden. Die Auslaufsicherung ist so ausgebildet, dass sie den Durchfluss von druckbeaufschlagtem Druckmittel ermöglicht, wohingegen sie den Durchfluss von nicht druckbeaufschlagtem, lediglich dem hydrostatischen Druck unterliegendem Druckmittel sperrt. Somit kann durch die Auslaufsicherung ein Auslaufen des Vorratsraums bei Fehlen einer Druckspeisung durch die Druckquelle, beispielsweise bei fehlender Förderung der Ölpumpe, verhindert werden. Die Auslaufsicherung kann als Begrenzung des Vorratsraums dienen und kann insbesondere einen Anschlag für das Verlagerungselement in der ersten Endstellung bilden. Der Aufbau einer solchen Auslaufsicherung ist dem Fachmann an sich bekannt und in der Patentliteratur beispielsweise in der DE 19615076 beschrieben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Druckquelle über ein in Richtung zur Druckquelle sperrendes Rückschlagventil mit dem Vorratsraum fluidleitend verbindbar oder verbunden.
Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf eine Brennkraftmaschine, die mit zumindest einer wie oben beschriebenen schaltbaren Vorrichtung zur Druckversorgung mindestens eines Verbrauchers ausgerüstet ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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 eine schematische Axialschnittdarstellung mit vergrößertem Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckversorgung;
2 eine schematische Übersichtsdarstellung, anhand derer der Anschluss der Vorrichtung zur Druckversorgung von 1 an den Schmierölkreis einer Brennkraftmaschine veranschaulicht ist;
3A–3C vergrößerte Axialschnittdarstellungen zur Veranschaulichung der Verriegelung der Vorrichtung zur Druckversorgung von 1;
4A–4C vergrößerte Axialschnittdarstellungen zur Veranschaulichung der Entriegelung der Vorrichtung zur Druckversorgung von 1.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Seien zunächst 1 und 2 betrachtet, worin ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Druckversorgung von Verbrauchern einer Brennkraftmaschine, sowie der Anschluss der Vorrichtung an den Schmierölkreis einer Brennkraftmaschine veranschaulicht sind. Die insgesamt mit der Bezugszahl 1 bezeichnete Vorrichtung kann in einen Nockenwellenhohlraum 5 einer hohlen Nockenwelle 6 eingesetzt werden. Die hier beispielsweise gebaute Nockenwelle 6, welche auf ihrer Außenumfangsfläche mit einer Mehrzahl Nocken 25 versehen ist, kann um eine zentrale Drehachse 7 gedreht werden. Gleichermaßen wäre jedoch auch denkbar, dass die Nockenwelle 6 im Schmiedeverfahren hergestellt ist.
Die Vorrichtung 1 zur Druckversorgung von Verbrauchern einer Brennkraftmaschine umfasst ein hohlzylindrisches Gehäuse 2 (”Kartusche”), das in Passform zum Nockenwellenhohlraum 5 ausgebildet ist, so dass die Vorrichtung 1 in einfacher Weise in die Nockenwelle 6 integriert werden kann, indem das Gehäuse 2 in den Nockenwellenhohlraum 5 eingebracht und mit der Nockenwelle 6 fest verbunden wird.
Das Gehäuse 2 formt einen Gehäusehohlraum 3, in dem ein in Form eines Kolbens 4 ausgebildetes Verlagerungselement axial verschiebbar aufgenommen ist. Im Gehäusehohlraum 3 ist weiterhin ein in Form eines Stufenzylinders ausgebildeter Verschlusskörper 7 eingepresst, der sich von einem Ende des Gehäuses 2 her in den Gehäusehohlraum 3 hinein erstreckt. Er kann in einen endständigen ersten Abschnitt 8 mit größerem Durchmesser und einen sich daran anschließenden zweiten Abschnitt 9 mit kleinerem Durchmesser unterteilt werden, wodurch eine Ringstufe 10 geformt wird. An der Ringstufe 10 stützt sich eine als Kraftspeicher dienende Kraftspeicherfeder (Schraubendruckfeder) 11 mit ihrem einen Ende ab, welche mit ihrem anderen Ende dem Kolben 4 anliegt.
Der mit dem Gehäuse 2 fest verbundene Verschlusskörper 7 ist mit einer zentralen Axialbohrung 12 versehen, in der eine Schaltstange 13 axial verschiebbar aufgenommen ist. Die Schaltstange 13 kann durch einen elektromagnetischen Aktuator 14 betätigt werden, wobei zu diesem Zweck ein nicht näher dargestellter Stößel an einer stirnseitigen Stoßfläche der Schaltstange 13 angreift. Die Schaltstange 12 ist Teil eines Schaltmechanismus zum Verriegeln und Lösen eines Verriegelungsmechanismus für den Kolben 4, welcher weiter unten näher erläutert wird. Der Kolben 4 weist eine stirnseitige Druckfläche 15 auf, die gemeinsam mit einer Gehäusehohlraumwand 16 des Gehäusehohlraums 3 einen Vorratsraum 17 für Drucköl zumindest teilweise begrenzt.
Gegenüberliegend zum Aktuator 14 ist ein hydraulischer Nockenwellenversteller 18 beispielsweise mittels einer (nicht dargestellten) Zentralschraube an der Stirnseite der Nockenwelle 6 befestigt. Wie üblich umfasst der hydraulische Nockenwellenversteller 18 ein über ein Antriebsrad mit der Kurbelwelle in Antriebsverbindung stehendes Antriebsteil und ein nockenwellenfestes Abtriebsteil, sowie einen zwischen An- und Abtriebsteil geschalteten hydraulischen Stellantrieb, welcher das Drehmoment vom An- auf das Abtriebsteil überträgt und eine Verstellung und Fixierung der Drehlage zwischen diesen ermöglicht. Der hydraulische Stellantrieb ist mit wenigstens einem gegeneinander wirkenden Druckkammerpaar versehen, das gezielt mit Drucköl beaufschlagbar ist, um durch Erzeugen eines Druckgefälles über die beiden Druckkammern eine Änderung der Drehlage zwischen An- und Abtriebsteil herbeizuführen. Hydraulische Nockenwellenversteller als solche sind dem Fachmann wohlbekannt und beispielsweise in den Druckschriften DE 20 2005 008 264 U1 , EP 1596040 A2 , DE 10 2005 013 141 A1 , DE 19908934 A1 und WO 2006/039966 der Anmelderin eingehend beschrieben, so dass hier nicht näher darauf eingegangen werden muss.
Wie der Übersichtsdarstellung von 2 entnommen werden kann, sind der hydraulische Nockenwellenversteller 18 und der Vorratsraum 17 über eine Druckleitung 19 mit einer in Form einer Ölpumpe 20 ausgebildeten Druck- bzw. Druckmittelquelle fluidleitend verbunden. Dabei ist die Druckleitung 19 an in den Nockenwellenhohlraum 5 mündende Radialöffnungen 26 der Nockenwelle 6 angeschlossen. Somit kann durch die Ölpumpe 20 Drucköl aus einem Öltank 21 zum Nockenwellenversteller 18 und Vorratsraum 17 befördert werden. Ein in der Druckleitung 19 angeordnetes Rückschlagventil 22, das in Richtung zur Ölpumpe 20 sperrt, verhindert ein Rücklaufen von Drucköl bei verminderter bzw. fehlender Förderleistung der Ölpumpe 20.
In der Zentralschraube zur Befestigung des Nockenwellenverstellers 18 an der Nockenwelle 6 ist ein nicht näher dargestelltes Steuerventil zur Steuerung der Ölströme angeordnet, durch das die Druckkammern des Nockenwellenverstellers 18 wahlfrei mit der Ölpumpe 20 oder mit dem Öltank 21 fluidleitend verbunden werden können. Derartige Steuerventile sind dem Fachmann als solche wohlbekannt und beispielsweise in dem deutschen Patent DE 19727180 C2 , dem deutschen Patent DE 19616973 C2 , der europäischen Patentanmeldung EP 1 596 041 A2 und der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 39 207 A1 der Anmelderin eingehend beschrieben, so dass hier nicht näher darauf eingegangen werden muss.
In der Vorrichtung 1 kommuniziert der Vorratsraum 17 mit dem hydraulischen Nockenwellenversteller 18 bzw. dessen Steuerventil. Zudem sind weitere Verbraucher an den Schmierölkreis angeschlossen, wie Abstützelemente 23 und Lagerstellen 24 der Nockenwelle 6, welche mit Drucköl versorgt werden müssen. Obgleich dies in den Figuren nicht gezeigt ist, kann eine Auslaufsicherung zur Begrenzung des Vorratsraums 17 vorgesehen sein, welche insbesondere als Anschlag für den Kolben 4 dienen kann.
In der Vorrichtung 1 kann der Kolben 4 durch Druckbeaufschlagung des Vorratsraums 17 entgegen der Federkraft der Kraftspeicherfeder 11 axial verschoben werden, indem Drucköl von der Ölpumpe 20 über die Druckleitung 19 in den Vorratsraum 17 gefördert wird. Dabei wird der Kolben 4 von einer ersten Endlage in eine zweite Endlage verschoben, in der die Kraftspeicherfeder 11 gespannt bzw. bei Vorliegen einer Vorspannung stärker gespannt wird. Über nicht näher dargestellte Ringdichtungen ist der Vorratsraum 17 nach außen hin öldicht verschlossen.
In der zweiten Endlage kann der Kolben 4 durch einen Verriegelungsmechanismus arretiert werden. Der Verriegelungsmechanismus umfasst einen in einen topfförmigen Endabschnitt 27 des Verschlusskörpers 7 eingepressten hülsenförmigen Kugelträger 31, der eine Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilt angeordneter, radialer Bohrungen 29 aufweist, in denen jeweils eine Kugel 30 aufgenommen ist. Dabei haben die Bohrungen 29 jeweils einen größeren Durchmesser als die Kugeln 30, so dass diese in den Bohrungen 29 radial frei beweglich sind. Der Kugelträger 28 ist mit dem Verschlusskörper 7 starr verbunden.
Auf den dem Verschlusskörper 7 gegenüberliegenden freien Endabschnitt des Kugelträgers 28 ist ein topfförmiger Sicherungskörper 31, bestehend aus einer Bodenwand 33 und einem hohlzylindrischen Hülsenteil 32, aufgepresst. Dabei ist der Hülsenteil 32 des Sicherungskörpers 31 so bemessen, dass er die radialen Bohrungen 29 mit einem gewissen Überstand teilweise überdeckt, so dass nur eine bestimmte radial auswärts gerichtete Bewegung der Kugeln 30 ermöglicht ist. Eine darüber hinaus gehende radial auswärts gerichtete Bewegung der Kugeln 30 ist durch den Hülsenteil 32 blockiert, so dass die Kugeln 30 jeweils in den Bohrungen 29 aufgenommen bleiben.
In einem Trägerhohlraum 34 des Kugelträgers 28 ist ein mit der axial verschiebbaren Schaltstange 13 gekoppelter Schaltpin 35 axial verschiebbar aufgenommen. Der Schaltpin 35 weist eine erste Stirnfläche 36 auf, welche mit einem stirnseitigen Ende der Schaltstange 35 gekoppelt ist. In Trägerhohlraum 34 ist weiterhin eine Rückstellfeder 39 aufgenommen, die sich mit einem Ende an einer der ersten Stirnfläche 37 gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 37 des Schaltpins 35 und mit ihrem anderen Ende an einer Innenfläche 38 der Bodenwand 33 des Sicherungskörpers 31 abstützt. Die Rückstellfeder 39 ist hier beispielsweise als Schraubendruckfeder ausgebildet, kann jedoch auch von jedem anderen geeigneten Federtyp sein. Der Schaltpin 35 kann somit durch Bewegen der Schaltstange 13 durch den Stößel des Aktuators 14 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 39 axial verschoben werden. Dabei wirkt der Stößel auf die stirnseitige Stoßfläche der Schaltstange 13 ein, wobei der Stößel an einem Magnetanker eines Elektromagneten des Aktuators 14 starr befestigt ist und durch Bestromen des Magnetankers axial verschoben werden kann. Wird der Magnetanker nicht bestromt, wird der Schaltpin 35 durch die Federkraft der Rückstellfeder 39 rückgestellt.
Eine Außenmantelfläche 40 des Schaltpins 35 ist mit einer umlaufenden Ringnut 41 versehen, die den Kugeln 30 zugeordnet und in Passform zu den Kugeln 30 ausgebildet ist. Der Schaltpin 35 kann durch die gegeneinander wirkenden Kräfte von Aktuator 14 und Rückstellfeder 39 zwischen zwei Endstellungen hin und her bewegt werden. In einer ersten Endstellung ohne Bestromung des Aktuators 14 befinden sich die Kugeln 30 außerhalb der Ringnut 41. In einer zweiten Endstellung mit bestromtem Aktuator 14 können die Kugeln 30 in die Ringnut 41 eintauchen. Stets liegen die Kugeln 30 der Außenmantelfläche 40 des Schaltpins 35 an, so dass sie in Verbindung mit dem Sicherungskörper 31 verliergesichert in ihren Bohrungen 29 aufgenommen sind.
Auf den Kolben 4 ist ein Verriegelungskörper 42 aufgepresst. Der Verriegelungskörper 42 ist zu diesem Zweck mit einem auf den topfförmigen Kolben 4 aufgebrachten hohlzylindrischen Hülsenabschnitt 43 versehen, an den sich ein Verriegelungsabschnitt 44 anschließt. Der Hülsenabschnitt 43 dient zur axialen Führung des Kolbens 4 innerhalb des Gehäusehohlraums 3. Der Verriegelungsabschnitt 44 verjüngt sich stufenförmig in Richtung zum Aktuator 14 hin. Dabei formt eine sich zum Aktuator 14 hin verjüngende, erste Stufe 45 eine ringförmige Stützfläche 47 für die Kraftspeicherfeder 11. Eine sich daran anschließende, zum Aktuator 14 hin verjüngende, zweite Stufe 46 formt eine ringförmige Sitzfläche 48 für die Kugeln 30. Ein an die zweite Stufe 46 angeformter Kragen 52, der sich bezüglich der zweiten Stufe 46 radial erweitert, formt eine Anlagefläche 49 für die Kugeln 30.
Es wird nun eine Ver- bzw. Entriegelung des Kolbens 4 der Vorrichtung 1 beschrieben, wobei Bezug auf die 3A–3E genommen wird.
Wird der Vorratsraum 17 durch die Ölpumpe 20 mit Drucköl beaufschlagt, wird der Kolben 4 über seine Druckfläche 15 gegen die Federkraft der Kraftspeicherfeder 11 verschoben, bis die Anlagefläche 49 des Verriegelungskörpers 42 zur Anlage gegen die Kugeln 30 gelangt. Wird der Aktuator 14 nicht betätigt, wird der Schaltpin 35 durch die Federkraft der Rückstellfeder 39 rückgestellt. In dieser Position des Schaltpins 35 befinden sich die Kugeln 30 außerhalb der Ringnut 41. Dabei ist der Verriegelungsabschnitt 44 des Verriegelungskörpers 42 hinreichend verformungsfest, so dass er nicht über die Kugeln 30 hinweg gleiten kann. Diese Situation ist in 3A gezeigt.
Wird der Aktuator 14 durch Bestromen des Elektromagneten betätigt, wird die Schaltstange 13 durch den an der stirnseitigen Stoßfläche angreifenden Stößel gegen die Kraft der Rückstellfeder 39 bewegt. Dabei wird der Schaltpin 35 durch die Schaltstange 13 in eine Position gebracht, bei der sich Ringnut 41 radial innenseitig der Bohrungen 29 bzw. Kugeln 30 befindet, so dass die Kugeln 30 in die Ringnut 41 eintauchen können. Somit werden die Kugeln 30, beaufschlagt durch den Verriegelungsabschnitt 44, in die Ringnut 41 gedrückt. Die Tiefe der Ringnut 41 ist so bemessen, dass der Kolben 4 bzw. der mit dem Kolben 4 starr verbundene Verriegelungsabschnitt 44 noch weiter entgegen der Federkraft der Kraftspeicherfeder 11 verschoben werden kann. Beispielsweise sind die Kugeln 30 vollständig innerhalb der Bohrungen 29 aufgenommen und schließen zumindest annähernd bündig mit einer Außenmantelfläche des Kugelträgers 28 ab. Diese Situation ist in 3B gezeigt.
Wird der Kolben 4, beaufschlagt durch das Drucköl im Vorratsraum 17, weiter entgegen der Federkraft der Kraftspeicherfeder 11 verschoben, gelangt schließlich eine stirnseitige Stoßfläche 50 des Verriegelungskörpers 42 zur Anlage gegen eine stirnseitige Stoßfläche 51 des Verschlusskörpers 7. Hierdurch ist eine Endstellung (in der Beschreibungseinleitung als ”zweite Endstellung” bezeichnet) des Kolbens 4 definiert, bei der der Vorratsraum 17 maximal mit Drucköl befüllt ist. Wird der Aktuator 14 nicht mehr betätigt, d. h. wird die Bestromung des Elektromagneten beendet, wird der Schaltpin 35 durch die Federkraft der Rückstellfeder 39 relativ zum Kugelträger 28 axial verschoben, wobei die Kugeln 30 aus der Ringnut 41 gegen die Sitzfläche 48 des Verriegelungsabschnitts 44 gedrückt werden. In dieser Position hintergreift der Verriegelungsabschnitt 43 die Kugeln 30, so dass der Kolben 4 axial fixiert ist. Diese Situation ist in 3C gezeigt.
Der Kolben 4 kann somit erst durch Betätigen des Stößels zum Verschieben des Schaltpins 35 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 39 von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung in seiner zweiten Endstellung verriegelt werden. Ohne Verschiebung des Schaltpins 35 in die zweite Schaltstellung kann der Kolben 4 nicht verriegelt werden.
Wird nun, ausgehend von einem verriegelten Kolben 4, wie in 3C gezeigt, der Aktuator 14 durch abermaliges Bestromen des Elektromagneten betätigt, wird die Schaltstange 13 durch den an der stirnseitigen Stoßfläche angreifenden Stößel gegen die Kraft der Rückstellfeder 39 bewegt. Dabei wird der Schaltpin 35 durch die Schaltstange 13 in die zweite Schaltstellung gebracht, bei der sich Ringnut 41 radial innenseitig der Bohrungen 29 bzw. Kugeln 30 befindet, so dass die Kugeln 30 in die Ringnut 41 eintauchen können. Die Kugeln 30 werden dann, beaufschlagt durch die Federkraft der Kraftspeicherfeder 11, über den Verriegelungsabschnitt 44, in die Ringnut 41 gedrückt. Dies hat zur Folge, dass der Verriegelungsabschnitt 44 die Kugeln 30 nicht mehr hintergreift und die Verriegelung des Kolbens 4 gelöst wird. Diese Situation ist in 3D gezeigt.
Dies hat zur Folge, dass der Kolben 4 durch die Federkraft der Kraftspeicherfeder 11 verschoben wird, wobei Drucköl aus dem Vorratsraum 17 zum hydraulischen Nockenwellenversteller 18 ausgestoßen wird. Der Kolben 4 wird, beaufschlagt durch die Federkraft, verschoben bis er zur Anlage gegen einen von der Nockenwelle 6 geformten Anschlag 53 gelangt, wodurch eine Endstellung des Kolbens 4 definiert ist (in der Beschreibungseinleitung als ”erste Endstellung” bezeichnet). Eine Bewegung des Kolbens 4 zwischen den beiden Endstellungen entspricht einem maximalen Kolbenhub des Kolbens 4, durch den das ausgestoßene Maximalvolumen gegeben ist. Alternativ könnte eine Auslaufsicherung als Endanschlag für den Kolben 4 dienen.
Der Kolben 4 kann somit erst durch Betätigen des Stößels zum Verschieben des Schaltpins 35 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 39 von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung entriegelt werden. Ohne Verschiebung des Schaltpins 35 in die zweite Schaltstellung kann der Kolben 4 nicht entriegelt werden.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit ein über ein separates Gehäuse in einen Hohlraum der Nockenwelle integrierter Kolben durch den Druck der Ölpumpe bei laufender Brennkraftmaschine gegen die Kraftspeicherfeder bis zu einem festgelegten Hub vorgespannt werden. In dieser Position rastet der Kolben durch kurzes Bestromen des radial entkoppelten Aktuators, welcher außerhalb der Nockenwelle montiert ist, in einem Haltemechanismus (Kugelarretierung) ein. Bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine fällt der Öldruck in den Ölgalerien auf Umgebungsdruck, ebenso der Druck im Druckspeicher. Die Energie bleibt in der Kraftspeicherfeder gespeichert. Durch eine optionale Auslaufsicherung kann das ”druckfreie” Schmieröl nicht aus dem Vorratsraum in die Ölgalerien oder über die Nockenwellenlagerstellen in den Zylinderkopf zurücklaufen. Als Auslaufsicherung dient beispielsweise eine Lamellen-Labyrinth-Auslaufsicherung, bestehend aus drei Blechen mit jeweils einer Bohrung in axialer Richtung am Außendurchmesser. Die Bleche sind zueinander um 120° verdreht. Der Druckspeicher hat keinen Druckverlust durch Leckagen. Aufwendige Hochdruckabdichtungen entfallen. Hierdurch wird die Systemreibung reduziert und mehr nutzbare Energie in der Kraftspeicherfeder gespeichert. Andererseits kann durch kurzes Bestromen des Aktuators der Arretiermechanismus des Kolbens gelöst werden. Mittels der vorgespannten Kraftspeicherfeder wird das Öl aus dem Vorratsraum zurück in den Ölkreislauf des Zylinderkopfs und den Nockenwellenversteller gedrückt, vorausgesetzt, dass der Versorgungsöldruck in den Ölgalerien kleiner ist als der mit dem Druckspeicher erzielbare Druck (Federelementkraft multipliziert mit Kolbendruckfläche). Um beim Entladen ein Rückfließen des Öls in Richtung Ölpumpe zu verhindern, ist zwischen der Ölpumpe und den Verbrauchern, die mit Öldruck aus dem Druckspeicher beaufschlagt werden sollen, ein Rückschlagventil mit Sperrrichtung in Richtung Ölpumpe vorgesehen.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Kolben axial im Gehäuse geführt und stützt sich über ein Federelement (z. B. Zug- oder Druckfeder) am Verschlusskörper, der in das Gehäuse eingepresst ist, ab. in den Verschlusskörper ist der Kugelträger eingepresst. Dieser weist beispielsweise acht Radialbohrungen auf, in denen jeweils eine Kugel geführt ist. Die Schaltstange ist mit dem Schaltpin gekoppelt und axial verschiebbar im Verschlusskörper gelagert. Der Aktuator ist beispielsweise in den Zylinderkopf eingeschraubt und drückt im bestromten Zustand auf die Schaltstange gegen die Rückstellfeder des Schaltpins. Die Anbindung zur Schaltstange/Nockenwelle erfolgt über eine Radialentkopplung. Der Sicherungskörper dient als Verliersicherung für die Kugeln. Durch die Anordnung im Hohlraum der Nockenwelle ergibt sich ein Bauraumvorteil gegenüber extern der Nockenwelle angeordneten Druckspeichern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine zuverlässige Druckversorgung von Verbrauchern einer Brennkraftmaschine, wobei durch den in die Nockenwelle integrierten Druckspeicher Drucköl unabhängig von der Motorölversorgung (Schmierölkreis) der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht. So können Verbraucher auch dann mit Drucköl versorgt werden, wenn die motorseitige Ölversorgung nicht ausreicht, beispielsweise beim Motorstart und bei sehr heißem Drucköl in Verbindung mit einer geringen Fördermenge der Ölpumpe (Heißleerlauf). Insbesondere kann sofort nach dem Start der Brennkraftmaschine eine Verstellung des Nockenwellenverstellers in Basisposition (Spät-, Mitten-, Frühstellung) erfolgen, was besonders geeignet in Verbindung mit Start/Stopp-Systemen ist. Zudem kann die Verstellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers insbesondere bei Heißleerlauf der Brennkraftmaschine verbessert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann durch relative wenig Bauteile realisiert werden, wodurch in der industriellen Serienfertigung Montage- und Materialkosten eingespart werden können. Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung ergibt sich aus der Tatsache, dass der Kolben durch kurzes Bestromen des Aktuators (Strompulse) verriegelt oder entriegelt werden kann. Eine permanente Bestromung des Aktuators im verriegelten oder entriegelten Zustand des Kolbens ist nicht erforderlich. Dies ermöglicht eine besonders energiesparende Betätigung der Vorrichtung zur Druckversorgung.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Gehäuse
3: Gehäusehohlraum
4: Kolben
5: Nockenwellenhohlraum
6: Nockenwelle
7: Verschlusskörper
8: erster Abschnitt
9: zweiter Abschnitt
10: Ringstufe
11: Kraftspeicherfeder
12: Axialbohrung
13: Schaltstange
14: Aktuator
15: Druckfläche
16: Gehäusehohlraumwand
17: Vorratsraum
18: Nockenwellenversteller
19: Druckleitung
20: Ölpumpe
21: Öltank
22: Rückschlagventil
23: Abstützelement
24: Lagerstelle
25: Nocke
26: Radialöffnung
27: Endabschnitt
28: Kugelträger
29: Bohrung
30: Kugel
31: Sicherungskörper
32: Hülsenteil
33: Bodenwand
34: Trägerhohlraum
35: Schaltpin
36: erste Stirnfläche
37: zweite Stirnfläche
38: Innenfläche
39: Rückstellfeder
40: Außenmantelfläche
41: Ringnut
42: Verriegelungskörper
43: Hülsenabschnitt
44: Verriegelungsabschnitt
45: erste Stufe
46: zweite Stufe
47: Stützfläche
48: Sitzfläche
49: Anlagefläche
50: Stoßfläche des Verriegelungskörpers
51: Stoßfläche des Verschlusskörpers
52: Kragen
53: Anschlag

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1197641 A2 [0002]
DE 102007056684 A1 [0003]
DE 10228354 A1 [0004]
DE 19615076 [0018]
DE 202005008264 U1 [0030]
EP 1596040 A2 [0030]
DE 102005013141 A1 [0030]
DE 19908934 A1 [0030]
WO 2006/039966 [0030]
DE 19727180 C2 [0032]
DE 19616973 C2 [0032]
EP 1596041 A2 [0032]
DE 10239207 A1 [0032]

Claims

Schaltbare Vorrichtung (1) zur Druckversorgung mindestes eines Verbrauchers einer Brennkraftmaschine, welche umfasst: ein Gehäuse (2) mit einem Gehäusehohlraum (3), ein im Gehäusehohlraum (3) angeordnetes Verlagerungselement (4), das zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung verlagerbar ist, wobei das Verlagerungselement (4) mit einer Druckfläche (15) versehen ist, die gemeinsam mit einer Gehäusehohlraumwand (16) einen mit dem Verbraucher fluidleitend verbindbaren Vorratsraum (17) zumindest teilweise begrenzt, wobei der Vorratsraum (17) mit einer Druckquelle (20) fluidleitend verbindbar ist, einen mit dem Verlagerungselement (4) zusammenwirkenden Kraftspeicher (11), wobei das Verlagerungselement (4) durch Druckbeaufschlagung des Vorratsraums (17) gegen die Kraft des Kraftspeichers (11) von der ersten Endstellung in die zweite Endstellung verlagerbar ist, einen Verriegelungsmechanismus, durch den das Verlagerungselement (4) in der zweiten Endstellung verriegelbar ist, einen durch einen Aktuator (14) betätigbaren Schaltmechanismus mit einem in wenigstens zwei Schaltstellungen bringbaren Schaltelement (35), das mit dem Verriegelungsmechanismus so zusammenwirkt, dass das Verlagerungselement (4) in einer ersten Schaltstellung des Schaltelements (35) verriegelbar oder entriegelbar ist und in einer zweiten Schaltstellung des Schaltelements (35) nicht verriegelbar oder nicht entriegelbar ist.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: ein mit dem Gehäuse (2) starr verbundenes Kugelträgerelement (28) mit einem Trägerhohlraum (34), in dem das Schaltelement (35) zumindest teilweise aufgenommen ist, wobei das Kugelträgerelement (28) eine Mehrzahl Öffnungen (29) aufweist, in denen jeweils eine Kugel (30) radial beweglich aufgenommen ist, wobei die Kugeln (30) einer vom Schaltelement (35) geformten Außenmantelfläche (40) anliegen, ein mit dem Verlagerungselement (4) verbundenes Verriegelungselement (42), das mit einem Verriegelungsabschnitt (44) versehen ist, der zur Verriegelung des Verlagerungselements (4) in dessen zweiter Endstellung in Eingriff mit den Kugeln (30) gelangen kann, wobei das Schaltelement (35) gegen die Kraft eines Rückstellelements (39) durch den Aktuator (14) von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung relativ zum Kugelträgerelement (28) verlagerbar ist, und wobei die Außenmantelfläche (40) des Schaltelements (35) mit wenigstens einer Ausnehmung (41) versehen ist, derart, dass die Kugeln (30) in der zweiten Schaltstellung zumindest teilweise von der Ausnehmung (41) aufgenommen werden können, so dass der Verriegelungsabschnitt (44) außer Eingriff mit den Kugeln (30) gelangt.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein mit dem Gehäuse (2) starr verbundenes Verschlusselement (7), an dem sich der Kraftspeicher (11) des Verlagerungselements (4) abstützt.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kugelträgerelement (28) mit dem Verschlusselement (7) starr verbunden ist.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (7) mit einer Durchgangsöffnung (12) versehen ist, in der ein mit dem Schaltelement (35) zusammenwirkender, vom Aktuator (14) betätigbarer Schaltkörper (13) verlagerbar aufgenommen ist.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch ein mit dem Kugelträgerelement (28) starr verbundenes Sicherungselement (31), welches einen Anschlag für eine radial auswärts gerichtete Bewegung der Kugeln (30) bildet, derart, dass die Kugeln (30) in den Öffnungen (29) verliergesichert aufgenommen sind.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (31) topfförmig ausgebildet und von einer Seite her auf das Kugelträgerelement (28) aufgebracht ist.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftspeicher als Federelement (11) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein in einen Hohlraum (5) einer Nockenwelle (6) einsetzbares Gehäuse (2).
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) von einer Nockenwelle (6) und der Gehäusehohlraum (3) von einem Hohlraum (5) der Nockenwelle (6) geformt wird.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsraum (17) über eine bei Druckbeaufschlagung durchlässige und ohne Druckbeaufschlagung sperrende Auslaufsicherung für Druckmittel mit der Druckquelle (20) fluidleitend verbindbar ist.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaufsicherung als Begrenzung für den Vorratsraum (17) dient.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckquelle (20) über mindestens ein in Richtung Druckquelle sperrendes Rückschlagventil (22) mit dem Vorratsraum (17) fluidleitend verbindbar ist.
Vorrichtung (1) zur Druckversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Öl aus dem Schmierölkreis als Druckmittel verwendet wird.
Brennkraftmaschine, mit zumindest einer schaltbaren Vorrichtung (1) zur Druckversorgung eines Verbrauchers nach einem der Ansprüche 1 bis 14.