DE102010034278A1

DE102010034278A1 - Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten und der Ventilhubcharakteristik eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010034278A1
Application number: DE201010034278
Authority: DE
Inventors: Eduard Golovatai-Schmidt; Jens Schäfer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: SCHAEFER, JENS, DE
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-02-16

Abstract

Eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten und der Ventilhubcharakteristik eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine weist eine in einem Zylinderkopf radial gelagerte, längsverschiebliche Nockenwelle (1) auf, welche Raumnocken (2 bis 5) mit sich über die axiale Erstreckung ändernder Nockenerhebung aufnimmt. Dabei ist die Phasenlage der über ein Nockenwellenrad (12) angetriebenen Nockenwelle (1) gegenüber der Phasenlage einer Kurbelwelle mittels eines die Längsbewegung der Nockenwelle (1) in eine Drehbewegung umwandelndes Verstellelement veränderbar. Zur Reduzierung des baulichen Aufwands und zur Verringerung der Abmessungen und zur Schaffung des Verstellelements soll das Nockenwellenrad (12) sowohl in axialer Richtung als auch in Drehrichtung fest mit der Nockenwelle (1) verbunden sein und über eine an seinem Außenumfang ausgebildete Schrägverzahnung mit einem Antriebsrad (11) in Eingriff stehen. Der gesamte Verstellweg für die Phasenlage ist dabei definiert durch die maximale Längsverschiebung der Nockenwelle (1) und durch den Schrägungswinkel der Verzahnung des Nockenwellenrades (12) und des Antriebsrades (11).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten und der Ventilhubcharakteristik eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine mit einer in einem Zylinderkopf radial gelagerten, längsverschieblichen Nockenwelle, auf der Raumnocken mit sich über die axiale Erstreckung ändernder Nockenerhebung angeordnet sind, wobei die Phasenlage der über ein Nockenwellenrad angetriebenen Nockenwelle gegenüber der Phasenlage einer Kurbelwelle mittels eines die Längsbewegung der Nockenwelle in eine Drehbewegung umwandelnden Verstellelements veränderbar ist.
Gebiet der Erfindung
Variable Ventiltriebe, bei denen sowohl der Ventilhub und die Ventilöffnungsdauer als auch die Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verstellt werden können, dienen zur Optimierung des Ladungswechsels einer Brennkraftmaschine. Diese Optimierung des Ladungswechsels in Bezug auf den jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine führt zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und zur Verbesserung der Abgaswerte. Durch die Verwendung entsprechender variabler Ventiltriebe lassen sich die Nachteile einer Laststeuerung mittels Drosselklappe bei Ottomotoren beseitigen, indem eine drosselfreie Laststeuerung über die mit einem variablen Hub und einer gesteuerten Ventilöffnungsdauer betätigten Einlassventile im Rahmen einer Direkteinspritzung realisiert wird. Mit dieser können der Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe reduziert und der Wirkungsgrad der gemischverdichtenden Brennkraftmaschine verbessert werden.
Eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten und der Ventilhubcharakteristik der im Oberbegriff des Patentanspruch 1 beschriebenen Gattung ist aus der DE 10 2007 003 858 A1 bekannt. Die mit Raumnocken versehene Nockenwelle ist dabei gegenüber dem auf ihr angeordneten Nockenwellenrad axial verschiebbar. Das Verstellelement ist zwischen einem in eine Nabe des Nockenwellenrades ragenden Endabschnitt der Nockenwelle und einer Bohrung der Nabe angeordnet und besteht aus einer schräg oder bogenförmig zur Längsachse verlaufenden Führungsbahn und in dieser bewegten Führungskörpern. Eine durch einen Stellantrieb bewirkte Längsverschiebung der Nockenwelle bewirkt dabei eine gleichzeitige Verdrehung dieser gegenüber dem Nockenwellenrad und somit gegenüber der dieses antreibenden Kurbelwelle, so dass sich die Steuerzeiten des Ventiltriebes verändern.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung derart weiter zu bilden, dass sich die Zahl der für die Verstellung des Ventiltriebs erforderlichen Teile im Vergleich zu der vorbekannten Vorrichtung verringern lässt.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass zur Schaffung des Verstellelements das Nockenwellenrad sowohl in axialer Richtung als auch in Drehrichtung fest mit der Nockenwelle verbunden ist und über eine an seinem Außenumfang ausgebildete Schrägverzahnung mit einem Antriebsrad in Eingriff steht, wobei der gesamte Verstellweg für die Phasenlage definiert ist durch die maximale Längsverschiebung der Nockenwelle und durch den Schrägungswinkel der Verzahnung des Nockenwellenrades und des Antriebsrades. Folglich erfolgt die axiale Verschiebung der mit den Raumnocken versehenen Nockenwelle gemeinsam mit dem auf dieser befestigten schrägverzahnten Nockenwellenrad. Das mit dem Nockenwellenrad kämmende Antriebsrad ist in entsprechender Weise schrägverzahnt, so dass die angegebene axiale Verschiebung eine Verdrehung der beiden Räder zueinander und somit eine Veränderung der Steuerzeiten der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle bewirkt. Diese lässt sich somit ohne zusätzliche Bauelemente realisieren.
Demgegenüber ist bei der Einrichtung zur Phasenverstellung gemäß der gattungsbildenden DE 10 2007 003 858 A1 eine als Helix ausgebildete Schrägführung vorgesehen, in deren profilierten Laufbahnen kugelförmige Wälzkörper angeordnet sind. Außerdem muss das Nockenwellenrad bei dieser Art der Verstellung eine definierte axiale Lage einnehmen und ist daher wegen der Verschiebung der Nockenwelle gegenüber dem Nockenwellenrad über zumindest ein separates Axiallager im Zylinderkopf zu lagern. Sowohl die als Helix ausgebildete Schrägführung als auch die erforderlichen Axiallager beanspruchen einen zusätzlichen Bauraum und erhöhen den Fertigungsaufwand sowie die Herstellkosten der Vorrichtung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll die Schrägverzahnung mit einer Schrägungsrichtung ausgebildet sein, die auf Grund einer Drehmomentübertragung in Antriebsrichtung eine Verstellung der Nockenwelle in Richtung eines größeren Ventilhubes unterstützt. Dadurch wird eine Fail-Safe-Funktion geschaffen, welche sicherstellt, dass trotz eines Ausfalls des elektromechanischen Stellantriebs für die Längsverstellung der Nockenwelle alleine die aus der Drehmomentübertragung zwischen den Rädern resultierende Axialkraft für eine entsprechende Verstellung des Ventiltriebes genutzt wird. Die Brennkraftmaschine kann dann auch nach Ausfall der elektromechanischen Verstellung betrieben werden. Außerdem kann dadurch insgesamt die elektrische Leistung im Ventilhubhaltebetrieb reduziert werden.
Weiterhin kann das Nockenwellenrad mit geringerer axialer Erstreckung als das Antriebsrad ausgebildet sein. Dadurch lässt sich eine Lösung realisieren, die einen geringen axialen Bauraum im Bereich des Rädertriebes beansprucht, denn das schmalere mit der Nockenwelle fest verbundene Nockenwellenrad führt eine maximale Axialbewegung aus, die begrenzt ist durch die Breite des Antriebsrades.
Außerdem besteht die Möglichkeit, eine die Längsverstellung der Nockenwelle bewirkende Verstelleinrichtung als Gewindespindel auszubilden, die über ihr Außengewinde im Bereich einer Nabe des Nockenwellenrades in einen Endabschnitt der Nockenwelle eingreift, vorzugsweise als Kugelgewindetrieb. Diese Gewindespindel wird für die Verstellung der gesamten aus Nockenwelle und Nockenwellenrad bestehenden Einheit je nach erforderlicher linearer Verstellrichtung angetrieben oder gegenüber der rotativen Bewegung der Nockenwelle abgebremst.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Nockenwellenrad oder das Antriebsrad mit einer Einrichtung zum Ausgleich eines Verzahnungsspiels versehen sind. Dabei kann die Einrichtung zum Ausgleich des Verzahnungsspiels durch eine Trennung eines der Zahnräder in einer Querebene und Anordnung eines eine Vorspannung in Längsrichtung bewirkenden Elements hergestellt sein. Die durch die Trennung des entsprechenden Rades entstandenen zumindest zwei Abschnitte werden dabei durch die eine Vorspannung bewirkenden Elemente auseinander gespreizt oder alternativ dazu,, aufeinander zu bewegt, wenn sie in ihrer Ausgangslage mit einem Spalt zueinander angeordnet sind Dadurch wird ein Verzahnungsspiel, das anderenfalls Geräusche durch die im Nockenwellenantrieb auftretende Wechselmomente verursachen würde, reduziert.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung soll das Nockenwellenrad mit geringerer axialer Erstreckung als das Antriebsrad ausgebildet sein und die Einrichtung zum Ausgleich des Verzahnungsspiels im Antriebsrad angeordnet sein. Dadurch wird erreicht, dass der Spielausgleich über den gesamten Verstellbereich wirksam ist.
Außerdem kann die mit Raumnocken versehene Nockenwelle im Vorgelege zu einer von der Kurbelwelle konstant angetriebenen Welle angeordnet sein. Diese Welle kann als Auslassnockenwelle ausgebildet sein und wird an ihrem vom Antriebsrad abgewandten Ende über ein Ketten-, Zahnriemen- oder weiteres Zahnrad mit konstanter Phasenlage von der Kurbelwelle angetrieben. Alternativ dazu kann das entsprechende, die Welle antreibende Rad auch neben dem Antriebsrad angeordnet sein.
Schließlich ist vorgesehen, dass auf der Welle zumindest ein Pumpennockennocken einer Hochdruckpumpe ausgebildet ist. Diese Lösung kann insbesondere dann in Betracht gezogen werden, wenn das Nockenwellenrad im Vergleich zum Antriebsrad breiter ausgebildet ist. Der Pumpennocken könnte dann innerhalb des Verstellbereichs des Nockenwellenrades liegen.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des unabhängigen Anspruchs und der abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten, einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus der Zeichnung hervorgehen, miteinander zu kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnung durch die Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
1 eine zum Teil schematische Darstellung einer Anordnung von zwei Nockenwellen einer Brennkraftmaschine, die im Vorgelege angeordnet sind,
2 im gegenüber 1 geänderten Maßstab, einen endseitigen Abschnitt der Wellenanordnung nach 1,
3 einen endseitigen Abschnitt einer alternative Ausbildung eines Nockenwellenrades einer mit Raumnocken versehenen Nockenwelle und
4 einen endseitigen Abschnitt einer Wellenanordnung, bei welcher das Nockenwellenrad breiter ausgebildet ist als das Antriebsrad und auf der zweiten Welle ein Pumpennocken angeordnet ist, der zumindest teilweise innerhalb der axialen Erstreckung des Nockenwellenrades liegt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In den 1 bis 4 ist mit 1 eine mit Raumnocken 2 bis 5 versehene Nockenwelle bezeichnet, die in einem nicht näher dargestellten Zylinderkopf gelagert ist oder im Falle eines OHV-Motors in einem Kurbelgehäuse gelagert sein kann. Anhand des Raumnockens 2 ist dargestellt, wie dieser gemeinsam mit einer Brücke 6 zur Betätigung zweier Gaswechselventile 7 und 7a, vorzugsweise Einlassventile, dient. Wie insbesondere der 1 entnommen werden kann, weisen die Raumnocken 2 und 5 im Bereich ihrer jeweiligen Enden einen Bereich geringster sowie größter Nockenerhebung auf, die rampenförmig ineinander übergehen. Die übrigen Raumnocken 3 und 4 befinden sich in einer Position, in der diese Rampenform nicht erkennbar ist.
Zu der mit Raumnocken 2 bis 5 versehenen Nockenwelle 1 ist eine weitere Welle 8 im Vorgelege angeordnet. Diese Welle 8 weist, wie den Figuren entnommen werden kann, Nocken 9 üblicher Gestalt auf. Es kann sich dabei um eine Auslassnockenwelle handeln, bei der weder die Steuerzeiten noch die Ventilerhebungskurve von nicht näher dargestellten Auslassventilen verändert werden. Wie ebenfalls der 1 entnommen werden kann, wird die Welle 8 über ein Ritzel 10 sowie einen nicht dargestellten Ketten- oder Zahnriementrieb mit konstanter Phasenlage von einer ebenfalls nicht dargestellten Kurbelwelle angetrieben. Die Welle 8 nimmt an ihrem von dem Ritzel 10 abgewandten Ende ein drehfest und axial fest auf der Welle 8 angeordnetes Antriebsrad 11 auf, welches mit einem auf der Nockenwelle 1 angeordneten Nockenwellenrad 12 im Eingriff steht. Beide Räder, also das Antriebsrad 11 und das Nockenwellenrad 12 sind mit einer Schrägverzahnung versehen, die den weiteren 2 bis 4 entnommen werden kann. Die Nockenwelle 1 kann, wie durch den Doppelpfeil 13 angezeigt wird, in ihrer Radiallagerung 14 im Zylinderkopf axial verschoben werden. Diese axiale Verschiebung der Nockenwelle 1 wird durch eine Verstelleinrichtung 15 erzielt, wobei, wie der schematischen Darstellung nach 1 zu entnehmen ist, die Verstelleinrichtung 15 als linear wirkender Spindeltrieb ausgebildet ist, der an dem Ende der Nockenwelle 1 angeordnet ist, das von dem Nockenwellenrad 12 abgewandt ist.
Wie der 2 entnommen werden kann, besteht alternativ dazu die Möglichkeit, die Verstelleinrichtung 15 an dem Ende der Nockenwelle 1, das das Nockenwellenrad 12a aufnimmt, vorzusehen. In dieser 2 sowie den nachfolgenden 3 und 4 ist an dem jeweiligen Antriebsrad 11 sowie an dem Nockenwellenrad 12a bzw. 12b durch ein Symbol darauf hingewiesen, dass beide Räder 11 und 12a bzw. 12b eine Schrägverzahnung aufweisen. Weiterhin ist das Nockenwellenrad 12a nach 2 mit einer Einrichtung 16 zum Ausgleich eines eventuell auftretenden Verzahnungsspiels versehen. Zu diesem Zweck ist das Nockenwellenrad 12a in einer Querebene geteilt und nimmt an dieser Trennebene die Teile des Nockenwellenrades 12a elastisch vorspannende Elemente 17 auf. Dadurch werden die beiden Teile des Nockenwellenrades 12a mit ihrer schräg verlaufenden Verzahnung gegen benachbarte Zahnflanken des Antriebsrades 11 gedrückt, so dass ein auftretendes Spiel ausgeglichen ist.
Alternativ zu der 2 ist nach den 3 und 4 das Nockenwellenrad 12b breiter als das Antriebsrad 11 ausgebildet. Nach der 3 soll in diesem Fall die Verstelleinrichtung 15 innerhalb der axialen Erstreckung des Nockenwellenrades 12b angeordnet sein, so dass sie platzsparend untergebracht ist und die Längenabmessungen der aus Nockenwelle 1 und Nockenwellenrad 12b bestehenden Antriebseinheit optimal gestaltet werden können. Nach 4 dient diese Gestaltung des Nockenwellenrades dazu, einen ausreichenden Raum für die Anordnung eines Pumpennockens 18 auf der Welle 8 zu schaffen.
Den 1 bis 4 ist somit eine Anordnung zu entnehmen, bei welcher die Welle 8 phasengleich von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Hierzu wird eine Phasenverschiebung der Steuerzeiten an der Nockenwelle 1 vorgenommen, indem diese Nockenwelle 1 gemeinsam mit ihrem Nockenwellenrad 12, 12a oder 12b axial verschoben wird. Da beide Räder 11 sowie 12, 12a oder 12b über eine Schrägverzahnung miteinander im Eingriff stehen, führt diese Längsverschiebung der Nockenwelle 1 zu ihrer Verdrehung gegenüber der Welle 8. Gleichzeitig wird auf Grund der Verwendung von Raumnocken an der Nockenwelle 1 die Ventilhubcharakteristik verändert. Die Schrägverzahnung ist bezüglich der Lage ihres Schrägungswinkels derart gestaltet, dass die Brennkraftmaschine bei einem eventuellen Ausfall der Verstelleinrichtung oder der elektronischen Steuerung in einer Fail-Safe-Position betrieben werden kann. Dabei werden die Längskräfte genutzt, die auf Grund der Schrägverzahnung aus dem übertragenen Drehmoment resultieren. Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung Vorrichtung lassen sich der Bauaufwand und die räumlichen Abmessungen deutlich reduzieren.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwelle
2: Raumnocken
3: Raumnocken
4: Raumnocken
5: Raumnocken
6: Brücke
7: Gaswechselventil
7a: Gaswechselventil
8: Welle
9: Nocken
10: Ritzel
11: Antriebsrad
12: Nockenwellenrad
12a: Nockenwellenrad
12b: Nockenwellenrad
13: Doppelpfeil
14: Radiallagerung
15: Versteileinrichtung
16: Einrichtung zum Ausgleich eines Verzahnungsspiels
17: elastische Elemente
18: Pumpennocken

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007003858 A1 [0003, 0006]

Claims

Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten und der Ventilhubcharakteristik eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine mit einer in einem Zylinderkopf radial gelagerten, längsverschieblichen Nockenwelle (1), auf der Raumnocken (2, 3, 4 und 5) mit sich über die axiale Erstreckung ändernder Nockenerhebung angeordnet sind, wobei die Phasenlage der über ein Nockenwellenrad (12, 12a, 12b) angetriebenen Nockenwelle (1) gegenüber der Phasenlage einer Kurbelwelle mittels eines die Längsbewegung der Nockenwelle (1) in eine Drehbewegung umwandelndes Verstellelement veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung des Verstellelements das Nockenwellenrad (12, 12a, 12b) sowohl in axialer Richtung als auch in Drehrichtung fest mit der Nockenwelle (1) verbunden ist und über eine an seinem Außenumfang ausgebildete Schrägverzahnung mit einem Antriebsrad (11) in Eingriff steht, wobei der gesamte Verstellweg für die Phasenlage definiert ist durch die maximale Längsverschiebung der Nockenwelle (1) und durch den Schrägungswinkel der Verzahnung des Nockenwellenrades (12, 12a, 12b) und des Antriebsrades (11).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägverzahnung mit einer Schrägungsrichtung ausgebildet ist, die auf Grund einer Drehmomentübertragung in Antriebsrichtung eine Verstellung der Nockenwelle (1) in Richtung eines größeren Ventilhubes unterstützt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenwellenrad (12, 12a) mit geringerer axialer Erstreckung als das Antriebsrad ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Längsverstellung der Nockenwelle (1) bewirkende Versteileinrichtung (15) als Gewindespindel ausgebildet ist, die über ihr Außengewinde im Bereich einer Nabe des Nockenwellenrades (12a. 12b) in einen Endabschnitt der Nockenwelle (1) eingreift, vorzugsweise als Kugelgewindetrieb.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenwellenrad (12a) oder das Antriebsrad (11) mit einer Einrichtung (16) zum Ausgleich eines Verzahnungsspiels versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (16) zum Ausgleich des Verzahnungsspiels durch eine Trennung eines der Zahnräder (12a oder 11) in einer Querebene und Anordnung eines eine Vorspannung in Längsrichtung bewirkenden Elements (17) hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenwellenrad (12a) mit geringerer axialer Erstreckung als das Antriebsrad (11) ausgebildet ist und die Einrichtung (16) zum Ausgleich des Verzahnungsspiels im Nockenwellenrad (12a) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Raumnocken (2, 3, 4 und 5) versehene Nockenwelle (1) im Vorgelege zu einer von der Kurbelwelle mit zu dieser konstanter Phasenlage angetriebenen Welle (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (8) als Auslassnockenwelle ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle (8) zumindest ein Pumpennocken (18) einer Hochdruckpumpe ausgebildet ist.