DE102012211526A1

DE102012211526A1 - Hydraulischer Nockenwellenversteller mit interner Dämpfung

Info

Publication number: DE102012211526A1
Application number: DE201210211526
Authority: DE
Inventors: Steffen Räcklebe; Christian Walther
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Stator (2), der von einer Kurbelwelle antreibbar ist, und mit einem Rotor (3), der über durch ein Hydraulikfluid aufgebrachten Druck verstellbar ist, wobei der Rotor (3) mit einer Nockenwelle verbindbar ist, wobei ferner zwischen dem Stator (2) und dem Rotor (3) zumindest eine durch diese gebildete und das Hydraulikfluid aufnehmende Druckkammer (5) vorhanden ist, welche durch einen rotorfesten Flügel (6) in einen ersten Druckraum (7) und einen zweiten Druckraum (8) geteilt ist, wobei in dem Flügel (6) eine die beiden Druckräume (6, 7, 8) fluidleitend verbindende Dämpfungsdrossel (9) vorhanden ist. Die Erfindung betrifft auch eine Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einer Kurbelwelle, zumindest einer Nockenwelle und einem erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller (1).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller, für ein Kraftfahrzeug, wie ein Pkw oder ein Lkw, mit einem Stator, der von einer Kurbelwelle antreibbar ist, und mit einem Rotor, der über durch ein Hydraulikfluid aufgebrachten Druck verstellbar ist, wobei der Rotor mit einer Nockenwelle verbindbar ist, wobei ferner zwischen dem Stator und dem Rotor zumindest eine durch diese gebildete und das Hydraulikfluid aufnehmende Druckkammer vorhanden ist, welche durch einen rotorfesten Flügel in einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum geteilt ist.
Solch hydraulisch betätigte Nockenwellenverstellvorrichtungen sind bspw. aus der DE 10 2010 021 399 A1 oder der DE 10 2010 022 896 A1 bekannt. So offenbart die erstgenannte Druckschrift eine hydraulisch betätigte Nockenwellenverstellvorrichtung zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Nockenwellenverstellvorrichtung mindestens zwei zwischen einem Stator und einem Rotor angeordnete und durch einen Flügel getrennte Hydraulikkammern aufweist, die mittels einer Hydrauliköl-Steueranordnung von einer Druckölquelle aus mit Drucköl versorgt werden, wobei die Hydrauliköl-Steueranordnung aufweist: eine erste Versorgungsleitung, die zwischen der Druckölquelle und einer ersten Hydraulikkammer angeordnet ist, wobei in der ersten Versorgungsleitung ein Rückschlagventil angeordnet ist, das den Fluss von Hydrauliköl von der Druckölquelle in die Hydraulikkammer zulässt und in die Gegenrichtung verhindert, wobei die erste Versorgungsleitung frei von weiteren schaltbaren Ventilelementen ist und wobei die erste Versorgungsleitung die einzige Zuführungsleitung für Hydrauliköl von der Druckölquelle in die Hydraulikkammer ist, sowie eine zweite Versorgungsleitung, die zwischen der Druckölquelle und einer zweiten Hydraulikkammer angeordnet ist, wobei in der zweiten Versorgungsleitung ein Rückschlagventil angeordnet ist, das den Fluss von Hydrauliköl von der Druckölquelle in die Hydraulikkammer zulässt und in die Gegenrichtung verhindert, wobei die zweite Versorgungsleitung frei von weiteren schaltbaren Ventilelementen ist und wobei die zweite Versorgungsleitung die einzige Zuführungsleitung für Hydrauliköl von der Druckölquelle in die Hydraulikkammer ist, sowie ein Ventilelement, das zwischen den Hydraulikkammern und einem Tank wirksam angeordnet ist und das drei Ventilstellungen aufweist, nämlich a) eine erste Ventilstellung, in der der Abfluss von Hydrauliköl von den beiden Hydraulikkammern in den Tank unterbrochen ist, b) eine zweite Ventilstellung, in der der Abfluss von Hydrauliköl von der ersten Hydraulikkammer zum Tank freigegeben und der Abfluss von Hydrauliköl von der zweiten Hydraulikkammer zum Tank unterbrochen ist, und c) eine dritte Ventilstellung, in der der Abfluss von Hydrauliköl von der zweiten Hydraulikkammer zum Tank freigegeben und der Abfluss von Hydrauliköl von der ersten Hydraulikkammer zum Tank unterbrochen ist.
In einem solchen Nockenwellenversteller findet häufig auch ein mit der Nockenwelle drehendes Ventilelement Einsatz, das nach Art eines Zentralventils ausgebildet ist. Die Details zum Aufbau und zur Wirkungs-/Arbeitsweise eines solchen Nockenwellenverstellers und insbesondere dieses Zentralventils sind in der DE 10 2008 004 591 A1 beschrieben, und sollen hier als integriert gelten.
Die DE 10 2010 022 896 A1 offenbart eine druckmittelbetätigbare Nockenwellenverstelleinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens zwei entgegengesetzt wirkenden Arbeitskammern, einer Druckmittelpumpe, einem Druckmittelreservoir und einem Mehrwegeventil umfassend ein Gehäuse mit mehreren den Arbeitskammern, der Druckmittelpumpe und dem Druckmittelreservoir zugeordneten Öffnungen, durch die eine Zu- und/oder Abströmung eines Druckmittels ermöglicht ist, einem Ventilkörper, der in Abhängigkeit von der Stellung mit an dem Gehäuse anliegenden Steuerkanten den Durchfluss des Druckmittels durch die Öffnungen in dem Gehäuse sperrt oder ermöglicht, und einer dem Ventilkörper zugeordneten eine Strömung des Druckmittels von einer Arbeitskammer in die jeweils andere Arbeitskammer und umgekehrt ermöglichenden Rückschlagventileinrichtung, wobei der Ventilkörper wenigstens zwei Druckmittelleitungen aufweist, welche strömungstechnisch jeweils mit einer der Arbeitskammern verbindbar sind, und die Rückschlagventileinrichtung durch die Druckmittelleitungen verschließende Federbleche gebildet ist.
Solch hydraulische Nockenwellenversteller, die auch als Nockenwellenverstellsysteme bezeichnet werden, finden zur Variation von Ventilsteuerzeiten Einsatz. Ein möglicher Aufbau ist nach Art einer Standardflügelverstellung mit einem oder mehreren Flügeln. Aufgrund der Druckölversorgung des Motors und durch ein Mehr-Wege-Proportionalventil wird ein Volumenstrom zum Nockenwellenversteller ermöglicht, der mit Hilfe der gewählten Druckübersetzung eine definierte Verstellgeschwindigkeit und ein maximales Verstellmoment realisieren soll. Unterschiedliche Randbedingungen der motorischen Druckölversorgung und der Ventiltriebskonfiguration ergeben unterschiedliche Übergangsbereiche vom öldruck- zum momentgesteuerten Modus des Nockenwellenverstellers. Eine gezielte Dämpfung für hydraulische Standard-Nockenwellenversteller kann im geregelten Betrieb durch Anpassung der Steuerkantenüberdeckung erfolgen.
Werden jedoch zu hohe Verstellgeschwindigkeiten zwischen dem Rotor und dem Stator festgestellt, so finden negative Effekte, wie bspw. eine hohe Geräuschemission statt. Werden hohe Verstellgeschwindigkeiten angefordert, kann durch die Überdeckungsverhältnisse der Steuerkanten keine hohe Dämpfung im gesamten Betriebsbereich sichergestellt werden. Dies tritt gerade bei Motoren mit dynamisch hohen äußeren Lasten und geringerer Dämpfung auf.
Beim Übergang vom druckgesteuerten zum momentgesteuerten Modus können aufgrund des Verlustes der Steuerbarkeit hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Rotor und dem Stator auftreten. Bei Wiedererlangen des Kraftschlusses über das Fluid können je nach Höhe der Relativgeschwindigkeit hohe Drücke und somit hohe mechanische Belastungen der Funktionsteile auftreten, die mitunter zu Funktionseinschränkungen oder mechanischen Schäden, aber auch zu unerwünschten Geräuschen führen können.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verlust der Steuerbarkeit selbst bei hohen mechanischen Lasten, geringerer Druckmittelversorgung und geringen Reibwerten in Nockenwellen- und Verstelllagerung zu verhindern. Die Ursache für eine hohe Belastung der Komponenten soll beseitigt oder zumindest vermindert werden. Auch soll eine unerwünscht hohe Geräuschemission und möglicherweise auftretende Schäden an den Komponenten der Verstellsysteme verhindert werden. Letztlich sollen die Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen, hydraulischen Nockenwellenversteller dadurch gelöst, dass in dem Flügel eine die beiden Druckräume fluidleitend verbindende Dämpfungsdrossel vorhanden ist.
Auf diese Weise wird eine zusätzliche Dämpfung in den Nockenwellenversteller integriert. Die Folge ist eine Reduktion der maximal möglichen Momentangeschwindigkeit bei Verlust der Steuerbarkeit, eine Verringerung der mechanischen Belastung durch Vermeidung hoher Kontaktgeschwindigkeiten und eine Verbesserung des Geräuschverhaltens, indem hohe Spitzenlasten gedämpft werden. Die Dämpfung wird für den spezifischen Anwendungsfall dann angepasst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn die Dämpfungsdrossel als abgestimmte Drossel, lochartig oder düsenartig ausgebildet ist und/oder als gekürzter Flügel ausgebildet ist. Die Dämpfung ist dann so abstimmbar, dass ein sicheres Verstellen, insbesondere ohne maßgebliche Verringerung der mittleren Verstellgeschwindigkeit im druckgesteuertem Modus möglich wird und im Bereich des momentgesteuerten Modus stark reduzierte momentane Verstellgeschwindigkeitsspitzen auftreten. Die Einsatzgrenzen des druckgetriebenen Verstellsystems werden dadurch erweitert. Insbesondere bei Wahl eines gekürzten Flügels kann ein vorbestimmter Dämpfungsstrom zwischen den einzelnen Kammern erreicht werden.
Auch ist es von Vorteil, wenn der erste Druckraum über eine erste Leitung mit einem Druckversorgungssystem verbunden ist und der zweite Druckraum über eine zweite separate Leitung mit dem Druckversorgungssystem verbunden ist. Zweckmäßig ist es ferner, wenn in der ersten Leitung und/oder der zweiten Leitung ein zu der Druckkammer zur Öffnung vorbereitetes Rückschlagventil vorhanden ist. Dieses Rückschlagventil kann als Miniaturrückschlagventil ausgebildet sein.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leitungen auf einer druckkammerabgewandten Seite des Rückschlagventils oder der Rückschlagventile in eine Sammelleitung münden.
Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Druckversorgungssystem ein mit der Nockenwelle rotierendes Öl-Verteilsystem, wie ein Zentralventil, aufweist, oder ein zumindest von der Nockenwelle in Rotation abgekoppeltes Öl-Verteilsystem, wie ein Einsteck- bzw. Cartridge-Ventil aufweist. Wenn der Flügel fluiddicht, aber beweglich am Stator anliegt oder quasi-anliegt, so werden Leckage-Flüsse aus der Druckkammer bzw. zwischen den Druckräumen vermieden.
Falls mehrere Druckkammern durch je einen Flügel in zwei Druckräume getrennt sind, so kann das Ölverteilsystem sparsamer dimensioniert werden.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn in mehreren Flügeln je eine Dämpfungsdrossel vorhanden ist. Natürlich ist es auch möglich, dass pro Flügel mehrere Dämpfungsdrosseln vorhanden sind oder in einem Flügel eine Drossel integriert ist und in einem anderen Flügel nicht, insbesondere in alternierender Weise.
Die Erfindung betrifft auch eine Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einer Kurbelwelle, zumindest einer Nockenwelle und einem Nockenwellenversteller, der erfindungsgemäß ausgeführt ist.
Von Vorteil ist es, wenn je zwei Rückschlagventile je einen von einem Proportionalventil unabhängigen Verdrängerraum, also die beiden ersten und zweiten Druckräume, versorgt. Eine vom Proportionalventil unabhängige Versorgung über einen P-Anschluss ist zweckmäßigerweise vorzuhalten, so dass keine Interaktion zwischen den Verdrängerräumen für die Verstellung und für die Dämpfung möglich ist.
Auch sei erwähnt, dass über das Proportionalventil, wie bei standarddruckgesteuerten Systemen (OPA-Systemen/Oil Pressure Actuated-Systemen), die mittleren Volumenströme zur Erreichung der mittleren Verstellgeschwindigkeit zur Verfügung gestellt werden. Parallel befindet sich zwischen den beiden Druckräumen ein Flügel, der eine hydraulische Koppelung dieser Räume miteinander sicherstellt. Indem eine Abstimmung der Drossel für hohe Relativgeschwindigkeiten erfolgt, wird die mittlere Verstellgeschwindigkeit weitgehend unbeeinflusst bleiben, während zeitlich kurze, hochdynamische Bewegungen in Folge einer reduzierten Steuerbarkeit verringert oder vermieden werden können.
Die mit den hohen Relativgeschwindigkeiten verbundenen dynamischen Kräfte, bedingt durch die Massenträgheit, werden somit in Dämpfungsenergie gewandelt. Hohe Druckspitzen und Kontaktverlust zum Fluid werden vermindert, hohe mechanische Lasten und eine negative Geräuschentwicklung reduziert.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe zweier Ausführungsbeispiele anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Nockenwellenverstellers mit einem angeschlossenen Druckversorgungssystem nach Art einer integrierten Versorgung, und
2 eine zweite Ausführungsform eines hydraulischen Nockenwellenverstellers mit angeschlossenem Druckversorgungssystem nach Art einer separaten Versorgung.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines hydraulischen Nockenwellenverstellers 1 dargestellt. Der Nockenwellenversteller 1 weist einen Stator 2 auf. Ein Rotor 3 ist radial innerhalb des Stators 2 angeordnet, wobei der Stator Ausnehmungen 4 nach Art von Taschen aufweist, so dass in Zusammenschau von Stator 2 und Rotor 3 eine Druckkammer 5 ausgebildet ist. Es sind über den Umfang des Rotors 3 im Stator 2 mehrere Druckkammern 5 ausgebildet.
Dabei ragt in jede Druckkammer 5 ein rotorfester, sich radial nach außen erstreckender Flügel 6 und unterteilt die jeweilige Druckkammer 5 in einen ersten Druckraum 7 und einen zweiten Druckraum 8. Jeder zweite Flügel 6 weist eine Dämpfungsdrossel 9 auf, die die beiden Druckräume 7 und 8 fluidleitend miteinander verbindet. Die Dämpfungsdrossel 9 ist als Loch, wie eine Bohrung und/oder oder eine Düse ausgebildet.
Die Druckkammer 5 ist über ein Druckversorgungssystem 10 angesteuert oder geregelt. Dabei ist der erste Druckraum 7 über eine erste Leitung 11 mit dem Druckversorgungssystem 10 verbunden und der zweite Druckraum 8 ist mit einer zweiten Leitung 12 mit dem Druckversorgungssystem 10 verbunden.
Diesbezüglich gleichen sich die beiden Ausführungsbeispiele der 1 und 2. Jedoch unterscheiden sie sich darin, dass das Druckversorgungssystem 10 mit der Nockenwelle rotierend ausgestaltet ist, also nach Art eines Zentralventils, welches in der DE 198 48 706 A1 näher erläutert ist. Die diesbezüglichen Details sollen als hier integriert gelten.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel, also dem Nockenwellenversteller 1 nach 2, ist jedoch ein nicht-rotierendes Druckversorgungssystem 10 genutzt, also ein solches System, was nicht mit einer Nockenwelle mit rotiert, zumindest Teile aufweist, die nicht mit rotieren, etwa nach Art eines Einsteck bzw. Cartridge-Ventils. Der Aufbau und die Funktionsweise eines Cartridge-Ventils sind in der DE 102 15 939 C1 erläutert und sollen als hier integriert gelten.
Wie auch in dem ersten Ausführungsbeispiel, ist in der ersten Leitung 11 ein erstes Rückschlagventil 13 und in der zweiten Leitung ein zweites Rückschlagventil 14 so eingesetzt, das es in Richtung der Druckkammer 5 öffnet, aber einen Rückfluss aus dem jeweiligen Druckraum 7 oder 8 verhindert. Die beiden Rückschlagventile sind in dem Leitungssystem befindlich, welches mit der Druckkammer 5 in fluidleitender Beziehung steht, indem die Dämpfungsdrossel 9 aufweisende Flügelausgestaltung vorhanden ist.
Anders als in 2 ist eine Verbindung 15 zu einer Druckversorgung separat ausgestaltet. Die Verbindung 15 kann als Sammelleitung ausgebildet sein.
Durch beide Ausführungsbeispiele wird eine Erweiterung des Funktions- und Einsatzbereiches von hydraulischen Nockenwellenverstellsystemen erreicht, eine Reduktion von hohen mechanischen Belastungen und unerwünschten Geräuschen (NVH) erreicht, günstige Auswirkungen auf den Steuertrieb, z. B. eine reduzierte Anregung durch gezielte Dissipation unabhängig von einem Proportionalventil bewirkt und eine gezielte aber einfache Systemabstimmung für unterschiedliche Motoren ermöglicht.
Als Hydraulikfluid kann eine Flüssigkeit genutzt werden, wie ein Öl, insbesondere ein Hydrauliköl.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenversteller
2: Stator
3: Rotor
4: Ausnehmung
5: Druckkammer
6: Flügel
7: erster Druckraum
8: zweiter Druckraum
9: Dämpfungsdrossel
10: Druckversorgungssystem
11: erste Leitung
12: zweite Leitung
13: erstes Rückschlagventil
14: zweites Rückschlagventil
15: Verbindung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010021399 A1 [0002]
DE 102010022896 A1 [0002, 0004]
DE 102008004591 A1 [0003]
DE 19848706 A1 [0029]
DE 10215939 C1 [0030]

Claims

Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Stator (2), der von einer Kurbelwelle antreibbar ist, und mit einem Rotor (3), der über durch ein Hydraulikfluid aufgebrachten Druck verstellbar ist, wobei der Rotor (3) mit einer Nockenwelle verbindbar ist, wobei ferner zwischen dem Stator (2) und dem Rotor (3) zumindest eine durch diese gebildete und das Hydraulikfluid aufnehmende Druckkammer (5) vorhanden ist, welche durch einen rotorfesten Flügel (6) in einen ersten Druckraum (7) und einen zweiten Druckraum (8) geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flügel (6) eine die beiden Druckräume (6, 7, 8) fluidleitend verbindende Dämpfungsdrossel (9) vorhanden ist.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsdrossel (9) als abgestimmte Drossel lochartig oder düsenartig ausgebildet ist und/oder als gekürzter Flügel ausgebildet ist.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Druckraum (7) über eine erste Leitung (11) mit einem Druckversorgungssystem (10) verbunden ist und der zweite Druckraum (8) über eine separate zweite Leitung (12) mit dem Druckversorgungssystem (10) verbunden ist.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Leitung (11) und/oder der zweiten Leitung (12) ein in Richtung der Druckkammer (5) zur Öffnung vorbereitetes Rückschlagventil (13, 14) vorhanden ist.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leitungen (11, 12) auf einer druckkammerabgewandten Seite des Rückschlagventils (13, 14) oder der Rückschlagventile (13, 14) in eine Sammelleitung münden.
Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckversorgungssystem (10) ein mit der Nockenwelle rotierendes Öl-Verteilsystem, wie ein Zentralventil, aufweist, oder ein zumindest von der Nockenwelle in Rotation abgekoppeltes Öl-Verteilsystem, wie ein Cartridge-Ventil aufweist.
Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (6) fluiddicht aber beweglich am Stator (2) anliegt oder quasi-anliegt.
Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Druckkammern (5) durch je einen Flügel (6) in zwei Druckräume (7, 8) getrennt sind.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Flügeln (6) je eine Dämpfungsdrossel (9) vorhanden ist.
Verbrennungskraftmaschine mit zumindest einer Kurbelwelle, zumindest einer Nockenwelle und einem Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.