DE102014207338A1

DE102014207338A1 - Nockenwellenverstelleinrichtung

Info

Publication number: DE102014207338A1
Application number: DE102014207338.3A
Authority: DE
Inventors: Torsten Zschieschang
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-04-17
Also published as: DE102014207338B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstelleinrichtung mit – einem Flügelzellenversteller, einem Stator (1) und einem Rotor (2), wobei – der Stator (1) mehrere Stege hat, welche einen Ringraum zwischen dem Stator (1) und dem Rotor (2) in eine Mehrzahl von Druckräumen (8, 9, 10, 11) unterteilen, wobei – der Rotor (2) sich radial nach außen erstreckende Flügel (4, 5, 6, 7) aufweist, welche die Druckräume (8, 9, 10, 11) in Arbeitskammern (12 bis 19) unterteilen, und – einer Verriegelungseinrichtung (20), wobei – die Verriegelungseinrichtung (20) zwei federbelastete Verriegelungsstifte (22, 23) aufweist, welche in einer Mittenposition verriegeln, wobei – die Verriegelungsstifte (22, 23) durch Druckmittelbeaufschlagung über eine erste Druckmittelleitung (45) bewegbar sind, wobei – der Verriegelungsstift (22, 23) mit dem jeweiligen Aufnahmeraum (48) eine Ventileinrichtung bildet, wobei – der Aufnahmeraum (48) über eine Abströmdruckmittelleitung (39, 60, 61) mit der ersten Druckmittelleitung (45) strömungstechnisch verbindbar ist, wobei – eine Steuernut (44, 53, 54) die erste Druckmittelleitung (45) mit der Abströmdruckmittelleitung (39, 60, 61) verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Nockenwellenverstelleinrichtungen werden im Allgemeinen in Ventiltrieben von Brennkraftmaschinen verwendet, um die Ventilöffnungs- und Schließzeiten zu verändern, wodurch die Verbrauchswerte der Brennkraftmaschine und das Betriebsverhalten im Allgemeinen verbessert werden können.
Eine in der Praxis bewährte Ausführungsform der Nockenwellenverstelleinrichtung weist einen Flügelzellenversteller mit einem Stator und einem Rotor auf, welche einen Ringraum begrenzen, der durch Vorsprünge und Flügel in mehrere Arbeitskammern unterteilt ist. Die Arbeitskammern sind wahlweise mit einem Druckmittel beaufschlagbar, welches in einem Druckmittelkreislauf über eine Druckmittelpumpe aus einem Druckmittelreservoir in die Arbeitskammern an einer Seite der Flügel des Rotors zugeführt und aus den Arbeitskammern an der jeweils anderen Seite der Flügel wieder in das Druckmittelreservoir zurückgeführt wird. Die Arbeitskammern, deren Volumen dabei vergrößert wird, weisen eine Wirkrichtung auf, welche der Wirkrichtung der Arbeitskammern, deren Volumen verkleinert wird, entgegengesetzt ist. Die Wirkrichtung bedeutet demnach, dass eine Druckmittelbeaufschlagung der jeweiligen Gruppe von Arbeitskammern eine Verdrehung des Rotors entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn relativ zu dem Stator bewirkt. Die Steuerung des Druckmittelflusses und damit der Verstellbewegung der Nockenwellenverstelleinrichtung erfolgt z. B. mittels einer ersten Ventileinrichtung, die durch ein Mehrwege-Schaltventil gebildet ist. Das Mehrwege-Schaltventil weist eine komplexe Struktur von Durchflussöffnungen und Steuerkanten und einen in dem Zentralventil verschiebbaren Ventilkörper auf, welcher die Durchflussöffnungen in Abhängigkeit von seiner Stellung verschließt oder freigibt.
Ein Problem bei einer solchen Nockenwellenverstelleinrichtung ist, dass sie in einer Startphase noch nicht vollständig mit Druckmittel gefüllt ist oder sogar leer gelaufen sein kann, so dass der Rotor aufgrund der von der Nockenwelle ausgeübten Wechselmomente unkontrollierte Bewegungen relativ zu dem Stator ausführen kann, welche zu einem erhöhten Verschleiß und zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führen können. Zur Vermeidung dieses Problems ist es bekannt, zwischen dem Rotor und dem Stator eine Verriegelungseinrichtung vorzusehen, welche den Rotor beim Abstellen der Brennkraftmaschine in einer für den Start günstigen Drehwinkelposition gegenüber dem Stator verriegelt.
Die Verriegelungseinrichtungen umfassen in der Regel eine Mehrzahl von federbelasteten Verriegelungsstiften, welche bei einer Verdrehung des Rotors sukzessiv in an dem Dichtdeckel oder dem Stator vorgesehene Verriegelungskulissen verriegeln und dabei vor dem Erreichen der Mittenverriegelungsposition jeweils eine Verdrehung des Rotors in Richtung der Mittenverriegelungsposition zulassen, aber eine Verdrehung des Rotors in die entgegengesetzte Richtung blockieren. Nach dem Warmlaufen der Brennkraftmaschine und/oder dem vollständigen Befüllen des Nockenwellenverstellers mit Druckmittel werden die Verriegelungsstifte druckmittelbetätigt aus den Verriegelungskulissen verdrängt, so dass der Rotor anschließend bestimmungsgemäß zur Verstellung der Drehwinkellage der Nockenwelle gegenüber dem Stator verdreht werden kann.
Ferner sind Steuerstifte bekannt, die in dem Flügel zwischen den Arbeitskammern positioniert sind. Mithilfe dieser Steuerstifte kann eine strömungstechnische Verbindung zweier entgegengesetzt wirkender Arbeitskammern hergestellt werden. Die Steuerstifte werden durch Druckmittelbeaufschlagung entgegen einer Federkraft bewegt. Bei Druckmittelbeaufschlagung des Steuerstifts ist dieser so eingestellt, dass die strömungstechnische Verbindung der Arbeitskammern unterbrochen ist.
Beim Abstellen der Brennkraftmaschine werden sowohl die federbelasteten Verriegelungsstifte als auch die Steuerstifte durch die Federkraft von einer Entriegelungsposition in eine drucklose Position gebracht; diese Position wird im Folgenden Verriegelungsposition genannt. Dafür werden die Druckmittelleitungen so geschaltet, dass das Druckmittel aus einem Druckmittelraum, der zur Beaufschlagung der Steuer- und Verriegelungsstifte dient, in ein Druckmittelreservoir abfließen kann. Insbesondere bei niedrigen Öltemperaturen wird in den Druckmittelleitungen aufgrund der hohen Viskosität von Öl nur eine geringe Durchflussgeschwindigkeit erreicht und damit auch die Verriegelungsposition nicht hinreichend schnell erreicht. Erst wenn sich die Druckmittelleitungen im drucklosen Zustand befinden, kann der Nockenwellenversteller in die Verriegelungsstellung gebracht werden und dort verriegelt werden. Der Abstellvorgang des Motors dauert in der Regel zwischen 0,4 und 0,6 Sekunden. Wird die Verriegelungsstellung nicht in dieser Zeit erreicht, bleibt der Nockenwellenversteller unverriegelt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Nockenwellenverstelleinrichtung bereitzustellen, bei der das Verriegelungsverhalten verbessert ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Nockenwellenverstelleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass eine Steuernut zur strömungstechnischen Verbindung der ersten Druckmittelleitung mit der zusätzlichen Abströmdruckmittelleitung vorgesehen ist. Die Steuernut ermöglicht damit ein kontrolliertes Abströmen des Druckmittels über die zusätzliche Abströmdruckmittelleitung. Durch das Vorsehen der Steuernut kann das Abströmverhalten gemäß den jeweiligen Anforderungen optimiert werden. Insbesondere bei niedrigen Temperaturen entspricht der Abströmvolumenstrom des Druckmittels aus der ersten Druckmittelleitung aufgrund der hohen Viskosität des Druckmittels nicht den Anforderungen. Durch zusätzliche Abströmdruckmittelleitungen kann das Abströmverhalten verbessert werden, wobei die Abströmdruckmittelleitung nur in definierten Betriebszuständen freigegeben werden soll, um den regulären Verstellmechanismus der Nockenwellenverstelleinrichtung nicht negativ zu beeinflussen. Ein wichtiger Parameter zur Freigabe der Abströmdruckmittelleitung ist der Relativwinkel zwischen dem Stator und dem Rotor. Das Anbringen der Steuernut an einem statorfesten Bauteil der Nockenwellenverstelleinrichtung ermöglicht es, dass in Abhängigkeit der Geometrie und Anordnung der Steuernut ein besonders vorteilhaftes Abströmverhalten erzielt werden kann, ohne dass der ursprüngliche Verriegelungsmechanismus negativ beeinflusst wird. Weiter kann die Steuernut kostengünstig und einfach an einem statorfesten Bauteil, z. B. einem Deckel der Nockenwellenverstelleinrichtung, angeordnet werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass eine strömungstechnische Verbindung zwischen der ersten Druckmittelleitung und der Steuernut vorgesehen ist. Über diese strömungstechnische Verbindung kann das sich in der ersten Druckmittelleitung befindliche Druckmittel zusätzlich über die Abströmdruckmittelleitung in das Druckmittelreservoir abfließen. Vorzugsweise erfolgt das Abströmen des Druckmittels parallel über das Mehrwege-Schaltventil und über die Abströmdruckmittelleitung in das Druckmittelreservoir. Es kann so der Volumenstrom in das Druckmittelreservoir insbesondere bei geringen Temperaturen erhöht werden. Die erste Druckmittelleitung wird damit schneller entlastet, was zur Folge hat, dass die Verriegelungsstifte schneller in die erste Schaltstellung bewegt werden, in der sie mit einem Vorsprung der Verriegelungskulisse eine formschlüssige Verbindung bilden. Es wird so ein zuverlässigeres Verriegelungsverhalten erzielt.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Steuernut in einem statorfesten Bauteil der Nockenwellenverstelleinrichtung so angeordnet ist, dass die strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung und der Steuernut in der Mittenverriegelungsposition blockiert ist. Es wird damit erreicht, dass in der Mittenverriegelungsposition zwischen der mit der Druckmittelpumpe verbindbaren ersten Druckmittelleitung und der mit dem Druckmittelreservoir verbindbaren Abströmdruckmittelleitung kein strömungstechnischer Kurzschluss entstehen kann. Es wird somit gewährleistet, dass bei einem erneuten Start der Brennkraftmaschine die Verriegelungskulisse ausreichend mit Druckmittel beaufschlagt wird und somit die Verriegelungsstifte von der ersten in die zweite Schaltstellung bewegt werden können.
Es ist vorteilhaft, wenn bei einer Verdrehung des Rotors gegenüber dem Stator aus oder in die Mittenverriegelungsposition wenigstens eine Abströmdruckmittelleitung strömungstechnisch mit der Steuernut verbindbar ist. Es ist somit sichergestellt, dass die Abströmdruckmittelleitung bei der Bewegung in die Mittenverriegelungsposition strömungstechnisch mit der ersten Druckmittelleitung verbunden ist. Insbesondere bei der Verstellbewegung des Rotors gegenüber dem Stator kurz vor oder nach dem Start der Brennkraftmaschine ist die Verdrängung des Druckmittels aus der ersten Druckmittelleitung wichtig, um ein schnelles Verriegeln der Nockenwellenverstelleinrichtung in der Mittenverriegelungsposition zu ermöglichen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in einer ersten Schaltstellung des Verriegelungsstiftes die Abströmdruckmittelleitung strömungstechnisch mit dem Druckmittelreservoir verbunden ist, und in einer zweiten Schaltstellung des Verriegelungsstiftes die strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung und dem Druckmittelreservoir blockiert ist. Die strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung und der ersten Druckmittelleitung ist in der Mittenverriegelungsposition blockiert und bei einer Bewegung in oder aus der Mittenverriegelungsposition freigegeben. Die Abströmdruckmittelleitung soll jedoch nur in den Betriebszuständen mit dem Druckmittelreservoir verbunden werden, in denen die erste Druckmittelleitung nicht über die Druckmittelpumpe mit Druckmittel beaufschlagt wird. Vorzugsweise wird daher die strömungstechnische Verbindung der Abströmdruckmittelleitung mit der ersten Druckmittelleitung in Abhängigkeit der Schaltstellung der Verriegelungsstifte gesteuert, wobei die strömungstechnische Verbindung zwischen dem Druckmittelreservoir und der Abströmdruckmittelleitung bereits bestehen kann, bevor der Verriegelungsstift die erste Schaltstellung erreicht hat. Die strömungstechnische Verbindung zwischen dem Druckmittelreservoir und der Abströmdruckmittelleitung wird damit bei Unterschreiten eines definierten Druckniveaus freigegeben. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Steuerung der strömungstechnischen Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung und der ersten Druckmittelleitung über einen sogenannten Ventilfunktionspin umzusetzen. Der Ventilfunktionspin kann zusätzlich zu den Verriegelungsstiften vorgesehen sein. Er wird ebenfalls über die Druckmittelbeaufschlagung der Verriegelungskulisse von einer ersten Schaltstellung entgegen einer Federkraft in eine zweite Schaltstellung bewegt.
Vorzugsweise ist die Erstreckung der Steuernut in Umfangsrichtung so groß, dass die strömungstechnische Verbindung zwischen der Steuernut und der Abströmdruckmittelleitung während der Verdrehbewegung des Rotors gegenüber dem Stator aus einer Anschlagstellung „Früh” oder „Spät” bis unmittelbar vor Erreichen der Mittenverriegelungsposition freigegeben ist. Es wird so sichergestellt, dass das zusätzliche Abströmen des Druckmittels über die Abströmdruckmittelleitung bei einer beliebigen Verdrehstellung der Nockenwellenverstelleinrichtung außerhalb der Mittenverriegelungsposition erfolgen kann. Ein erhöhter Volumenstrom des Druckmittels in das Druckmittelreservoir kann somit bis unmittelbar vor Erreichen der Mittenverriegelungsposition erreicht werden.
Weiter vorzugsweise sind wenigstens zwei Steuernuten vorgesehen, wobei die erste Steuernut so angeordnet ist, dass die strömungstechnische Verbindung zwischen der ersten Steuernut und der ersten Druckmittelleitung bei einer Verdrehung des Rotors gegenüber dem Stator aus der Anschlagstellung „Früh” in die Mittenverriegelungsposition freigegeben ist, und die zweite Steuernut so angeordnet ist, dass die strömungstechnische Verbindung zwischen der zweiten Steuernut und der ersten Druckmittelleitung bei einer Verdrehung des Rotors gegenüber dem Stator aus der Anschlagstellung „Spät” in die Mittenverriegelungsposition freigegeben ist. Somit kann unabhängig von der Richtung, aus der die Nockenwellenverstelleinrichtung in die Mittenverriegelungsposition bewegt wird, ein zusätzliches Abströmen über die Abströmdruckmittelleitung erfolgen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Steuernut unmittelbar an einem Vorsprung der Verriegelungskulisse vorgesehen ist. Die Steuernut kann mit geringem fertigungstechnischem Aufwand an dem Vorsprung der Verriegelungskulisse vorgesehen werden, mit dem die Verriegelungsstifte formschlüssig verbindbar sind. Die Abströmdruckmittelleitung wird vorzugsweise durch eine Stichbohrung gebildet, die in einem Winkel ungleich 0° zu der Verstellbewegung des Verriegelungsstiftes verläuft. Durch diesen Winkel entsteht ein Abstand in Umfangsrichtung zwischen der Stelle, an der die Abströmdruckmittelleitung mit einem Endabschnitt auf die der Verriegelungskulisse zugewandten Stirnfläche des Rotors trifft und den Aufnahmeraum des Verriegelungsstiftes. Ohne die Steuernut könnte das Druckmittel nicht bis unmittelbar vor Erreichen der Mittenverriegelungsposition von der Verriegelungskulisse in die Abströmdruckmittelleitung fließen. Durch die Steuernut kann das Druckmittel der ersten Druckmittelleitung über einen Druckmittelraum der Verriegelungskulisse über die Abströmdruckmittelleitung in das Druckmittelreservoir abfließen, bis die Mittenverriegelungsposition erreicht ist. In der Mittenverriegelungsposition wird ein zweiter Endabschnitt der Abströmdruckmittelleitung durch den Vorsprung der Verriegelungskulisse überdeckt, wodurch die strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung und der ersten Druckmittelleitung blockiert ist.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Steuernut auf einem Radius zur Rotationsachse vorgesehen ist, der von dem Radius der ersten Druckmittelleitung abweicht. Alternativ kann die Steuernut auch auf einem Radius zur Rotationsachse vorgesehen sein, der von dem Radius, auf dem sich der Verriegelungsstift bei einer Verdrehung des Rotors gegenüber dem Stator bewegt, abweicht.
Es wird vorgeschlagen, dass die Steuernut und ein Aufnahmeraum der Verriegelungskulisse räumlich voneinander getrennt sind. So können Verschleißprobleme bei der Abstützung des Verriegelungsstifts an der Verriegelungskulisse in der Mittenverriegelungsposition vermieden werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei sind in den Figuren im Einzelnen zu erkennen:
1: eine schematische Darstellung einer Nockenwellenverstelleinrichtung ohne eine erfindungsgemäße zusätzliche Abströmdruckmittelleitung;
2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung in einer ersten Ausführungsform außerhalb der Mittenverriegelungsposition in einer zweiten Schaltstellung;
3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung in einer ersten Ausführungsform außerhalb der Mittenverriegelungsposition in einer ersten Schaltstellung;
4: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung in einer ersten Ausführungsform in der Mittenverriegelungsposition in einer ersten Schaltstellung;
5: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung mit einer zusätzlichen Ringnut;
6: eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung in einer zweiten Ausführungsform in der Mittenverriegelungsposition; und
7: eine perspektivische Darstellung des Deckels einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung in einer zweiten Ausführungsform.
In 1 ist eine Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem bekannten Grundaufbau und einem schematisch dargestellten Flügelzellenversteller als Grundbauteil zu erkennen, welcher einen von einer nicht dargestellten Kurbelwelle antreibbaren Stator 1 und einen drehfest mit einer ebenfalls nicht dargestellten Nockenwelle verbindbaren Rotor 2 mit einer Rotornabe 3 und mehrere sich davon radial auswärts erstreckende Flügel 4, 5, 6 und 7 umfasst. Durch die Flügel 4, 5, 6 und 7 werden die Druckräume 8, 9, 10 und 11 in Arbeitskammern 12 bis 19 unterteilt. In der oberen Darstellung ist der Flügelzellenversteller jeweils in der Abwicklung zu erkennen, während links unten schematisch ein Ausschnitt der Rotornabe 3 des Rotors 2 mit einer Verriegelungseinrichtung 20 und rechts unten schematisch ein Mehrwege-Schaltventil 21 zur Steuerung des Druckmittelstroms zu erkennen ist.
Ferner ist ein Druckmittelkreislauf mit einer Vielzahl von Druckmittelleitungen zu erkennen, welche über das Mehrwege-Schaltventil 21 wahlweise strömungstechnisch mit einer Druckmittelpumpe P oder einem Druckmittelreservoir T verbindbar sind, wobei die Druckmittelpumpe P das Druckmittel nach dem Zuführen in das Druckmittelreservoir T aus demselben wieder in den Druckmittelkreislauf zurückfördert.
Grundsätzlich wird der Drehwinkel der Nockenwelle zu der Kurbelwelle im Normalbetrieb z. B. in Richtung „Früh” dadurch verstellt, dass die Arbeitskammern 12, 14, 16 und 18 mit Druckmittel beaufschlagt werden und dadurch ihr Volumen vergrößert wird, während gleichzeitig das Druckmittel aus den Arbeitskammern 13, 15, 17 und 19 verdrängt und das Volumen verringert wird. Die Richtung „Früh” ist in 1 durch ein F gekennzeichnet, die Richtung „Spät” durch ein S. Die Arbeitskammern 12, 14, 16 und 18, deren Volumen bei dieser Verstellbewegung jeweils gruppenweise vergrößert wird, werden im Sinne der Erfindung als Arbeitskammern 12, 14, 16 und 18 einer Wirkrichtung bezeichnet, während die Arbeitskammern 13, 15, 17 und 19, deren Volumen gleichzeitig verkleinert wird, als Arbeitskammern 13, 15, 17 und 19 der entgegengesetzten Wirkrichtung bezeichnet werden. Die Volumenänderung der Arbeitskammern 10 bis 19 führt dann dazu, dass der Rotor 2 mit den Flügeln 4, 5, 6 und 7 gegenüber dem Stator 1 verdreht wird. Grundsätzlich wird das Volumen der Arbeitskammern 13, 15, 17 und 19 durch eine Druckmittelbeaufschlagung über den B-Port des Mehrwege-Schaltventils 21 vergrößert, während das Volumen der Arbeitskammern 12, 14, 16 und 18 gleichzeitig durch Zurückströmen des Druckmittels über den A-Port des Mehrwege-Schaltventils 21 verkleinert wird.
Diese Volumenänderung führt dann zu einer Verdrehung des Rotors 2 gegenüber dem Stator 1, was in der abgewickelten Darstellung zu einer Verschiebung der Flügel 4, 5, 6 und 7 entgegen der Pfeilrichtung nach links führt. Ferner ist mindestens ein Verriegelungsstift 22 und 23 vorgesehen, welcher ebenfalls linear verschieblich und federbelastet ist. Die Verriegelungsstifte 22 und 23 sind in Richtung der Eingriffsstellung in eine Verriegelungskulisse 24 federbelastet und derart an dem Rotor 2 angeordnet, dass er die Drehbewegung des Rotors 2 gegenüber dem Stator 1 nicht behindert. Damit die Verstellung des Rotors 2 gegenüber dem Stator 1 möglich ist, wird die Verriegelungseinrichtung 20 zuerst gelöst, indem die Verriegelungskulisse 24 über die Druckmittelleitungen 25 und 26, die in eine erste Druckmittelleitung 45 münden, von dem C-Port des Mehrwege-Schaltventils 21 über die Druckmittelpumpe P mit Druckmittel beaufschlagt wird. Durch die Druckmittelbeaufschlagung der Verriegelungskulisse 24 werden die Verriegelungsstifte 22 und 23 aus der Verriegelungskulisse 24 herausgedrängt, so dass der Rotor 2 anschließend gegenüber dem Stator 1 frei drehen kann.
In den Flügeln 4, 5, 6 und 7 sind jeweils Druckmittelleitungen 27 und 28 mit einem jeweils darin angeordneten Rückschlagventil 29 und 30 vorgesehen, welche ein Überströmen des Druckmittels aus der Arbeitskammer 13 in die Arbeitskammer 12 und aus der Arbeitskammer 16 in die Arbeitskammer 17 ermöglichen. Der Durchfluss des Druckmittels durch die Druckmittelleitungen 27 und 28 kann jeweils durch schaltbare federbelastete Steuerstifte 31 und 32 blockiert oder ermöglicht werden. Dazu weisen die Steuerstifte 31 und 32 zwei Schaltstellungen auf, in denen der Durchfluss entweder freigegeben oder gesperrt ist. Die schaltbaren Steuerstifte 31 und 32 sind jeweils über die Druckmittelleitungen 33 und 34 mit Druckmittel beaufschlagbar und werden bei einer Druckmittelbeaufschlagung gegen die wirkende Federkraft von einer Verriegelungsposition in eine Entriegelungsposition überführt. In der Entriegelungsposition ist der Durchfluss durch die Druckmittelleitungen 27 und 28 gesperrt, so dass die Arbeitskammern 12 und 13 bzw. 14 und 15 als voneinander getrennt anzusehen sind, und die Nockenwellenverstelleinrichtung ohne ein Überströmen des Druckmittels zwischen den Arbeitskammern 12, 13, 14 und 15 mit einer entsprechend hohen Verstellgenauigkeit betrieben werden kann.
Zusätzlich zu den zwei Steuerstiften 31 und 32 ist ein dritter und vierter Steuerstift 35 und 36 vorgesehen. Die Steuerstifte 35 und 36 werden über die Druckmittelleitungen 37 und 38 mit Druck beaufschlagt und können so analog zu den Steuerstiften 31 und 32 entgegen einer wirkenden Federkraft von einer Verriegelungsposition in eine Entriegelungsposition bewegt werden. In der Verriegelungsposition können so die Arbeitskammern 14 und 15 sowie die Arbeitskammern 18 und 19 strömungstechnisch verbunden werden.
2 zeigt auf der linken Seite eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung in der zweiten Schaltstellung. Die Darstellung auf der rechten Seite greift die schematische Darstellung aus 1 auf und verdeutlicht die strömungstechnische Verschaltung des Druckmittelkreislaufes. In 2 ist die Verriegelungskulisse 24 über die erste Druckmittelleitung 45 mit der Druckmittelpumpe P strömungstechnisch verbunden, so dass der Verriegelungsstift 22 entgegen der Federkraft von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung bewegt wird. In der ersten Schaltstellung ist eine Druckmittelleitung 46 strömungstechnisch über eine Ringnut 43 des Verriegelungsstiftes mit einer Druckmittelleitung 47 verbunden.
Ferner ist eine Abströmdruckmittelleitung 39 vorgesehen, deren erster Endabschnitt 40 mit einem Aufnahmeraum 48 des Verriegelungsstifts 22 strömungstechnisch verbindbar ist und deren zweiter Endabschnitt 41 strömungstechnisch über die Verriegelungskulisse 24 mit der ersten Druckmittelleitung 45 verbindbar ist. Die Abströmdruckmittelleitung 39 verläuft dabei in einem Winkel α zu der Schaltrichtung des Verriegelungsstifts 22. Der Winkel α liegt dabei zwischen 30° und 70°, vorzugsweise zwischen 40° und 60°, weiter vorzugsweise zwischen 50° und 60°. Durch diese geometrische Anordnung trifft der zweite Endabschnitt 41 in einem Abstand a zu dem Aufnahmeraum 48 auf die Stirnfläche des Rotors 2.
Weiter ist an einem Vorsprung 50 der Verriegelungskulisse 24 eine Steuernut 44 vorgesehen. Diese reduziert über eine Länge b die Höhe h des Vorsprungs, so dass eine strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung 39 über die Steuernut 44 und der Verriegelungskulisse 24 mit der ersten Druckmittelleitung 45 entsteht; die Abströmdruckmittelleitung 39 ist so mit der ersten Druckmittelleitung 45 strömungstechnisch verbunden. Die Länge b entspricht im Wesentlichen der Länge a. Die Länge b kann alternativ auch kürzer sein als die Länge a. Vorzugsweise ist die Länge b maximal kleiner oder gleich der Länge a. Es wird so sichergestellt, dass bei einer Verstellbewegung des Rotors 2 gegenüber dem Stator 1 eine strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung 39 und der ersten Druckmittelleitung 45 vorhanden ist. Spätestens wenn sich die Nockenwellenverstelleinrichtung in der Mittenverriegelungsstellung befindet, wird die strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung 39 und der ersten Druckmittelleitung 45 durch den Vorsprung 50 unterbrochen.
Ein Aufnahmeraum 48 des Verriegelungsstifts 22 ist an der der Verriegelungskulisse 24 abgewandten Seite strömungstechnisch mit dem Druckmittelreservoir T verbunden. In der in 2 gezeigten zweiten Schaltstellung des Verriegelungsstiftes 22 wird der erste Endabschnitt 40 durch eine Mantelfläche 42 des Verriegelungsstifts 22 überdeckt und somit die strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung 39 und dem Aufnahmeraum 48 strömungstechnisch blockiert. Ein strömungstechnischer Kurzschluss zwischen der Druckmittelpumpe P und dem Druckmittelreservoir T wird so verhindert.
3 zeigt auf der linken Seite die erfindungsgemäße Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem Verriegelungsstift 22 in einer ersten Schaltstellung; auf der rechten Seite ist die entsprechende Schaltstellung aus 1 schematisch dargestellt. In 3 ist die erste Druckmittelleitung 45 drucklos geschaltet, d. h. die erste Druckmittelleitung 45 ist über das Mehrwege-Schaltventil 21 strömungstechnisch mit dem Druckmittelreservoir T verbunden. Die Verriegelungskulisse 24 ist damit nicht mit Druckmittel beaufschlagt, wodurch der Verriegelungsstift 22 durch die Federkraft aus der zweiten in die erste Schaltstellung bewegt wird. Die Nockenwellenverstelleinrichtung ist in 3 noch nicht in der Mittenverriegelungsposition angekommen, so dass die erste Druckmittelleitung 45 strömungstechnisch mit der Abströmdruckmittelleitung 39 verbunden ist. In der ersten Schaltstellung des Ventilfunktionsstifts 22 wird der erste Endabschnitt 40 nicht mehr von der Mantelfläche 42 überdeckt, sondern ein Ringkanal 49 freigegeben, über den das Druckmittel von der Abströmdruckmittelleitung 39 in den Aufnahmeraum 48 abströmen kann. Es kann damit das Druckmittel der ersten Druckmittelleitung 45 über die Abströmdruckmittelleitung 39 in das Druckmittelreservoir T abfließen. Die Entlastung der ersten Druckmittelleitung 45 erfolgt dabei über das Mehrwege-Schaltventil 21 und gleichzeitig über die Abströmdruckmittelleitung 39. Die strömungstechnische Verbindung der Druckmittelleitung 46 mit der Druckmittelleitung 47 wird in der ersten Schaltstellung durch die Mantelfläche 42 strömungstechnisch blockiert. In den 2 bis 5 ist die Abströmdruckmittelleitung 39 vorzugsweise nicht strömungstechnisch mit der Druckmittelleitung 47 verbunden; die Abströmdruckmittelleitung 39 verläuft damit vorzugsweise in einer anderen Ebene als die Druckmittelleitung 48. Es wird so sichergestellt, dass im normalen Betriebszustand die Verstellfunktionalität uneingeschränkt aufrechterhalten wird.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstelleinrichtung in der Mittenverriegelungsposition, wobei sich der Ventilfunktionsstift 22 in der ersten Schaltstellung befindet. Der Ventilfunktionsstift 22 liegt dabei an dem Vorsprung 50 der Verriegelungskulisse 24 an. Ferner wird der zweite Endabschnitt 41 durch den Vorsprung 50 überdeckt, so dass keine strömungstechnische Verbindung zwischen der ersten Druckmittelleitung 45 und der Abströmdruckmittelleitung 39 besteht. Da sich der Verriegelungsstift 22 in der ersten Schaltstellung befindet, ist die Abströmdruckmittelleitung 39 strömungstechnisch mit dem Aufnahmeraum 48 verbunden. 4 zeigt die Nockenwellenverstelleinrichtung somit in der Mittenverriegelungsposition kurz vor dem Start der Brennkraftmaschine. Bei einem Start der Brennkraftmaschine wird die erste Druckmittelleitung 45 über die Druckmittelpumpe P mit Druckmittel beaufschlagt. Der Ventilfunktionsstift 22 wird durch die Druckmittelbeaufschlagung der Verriegelungskulisse 24 entgegen der Federkraft von der ersten Schaltstellung in die zweite Schaltstellung bewegt. Da sich die Nockenwellenverstelleinrichtung noch immer in der Mittenverriegelungsposition befindet, bleibt der zweite Endabschnitt 41 durch den Vorsprung 50 bedeckt und das Druckmittel kann nicht von der Verriegelungskulisse 24 in die Abströmdruckmittelleitung 39 fließen. Es kann so der notwendige Druck aufgebaut werden, um den Verriegelungsstift aus der ersten Schaltstellung zu bewegen. Sobald sich der Ventilfunktionsstift 22 in der zweiten Schaltstellung befindet, wird die strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung 39 und dem Aufnahmeraum 48 wieder durch die Mantelfläche 42 blockiert. Die strömungstechnische Verbindung zwischen der Verriegelungskulisse 24 und der Abströmdruckmittelleitung 39 wird dann zwar bei einer Bewegung aus der Mittenverriegelungsposition wieder freigegeben, jedoch wird eine strömungstechnische Verbindung zu dem Aufnahmeraum 48 verhindert.
Die Steuernut 44 ist in den 2 bis 5 nur an der Seite des Vorsprungs 50 vorgesehen, die in Richtung der Verriegelungsstifte 22 zeigt. Es wird damit sichergestellt, dass eine schnelle Entlastung der ersten Druckmittelleitung 45 bei einer Verdrehung der Nockenwellenverstelleinrichtung aus der Richtung „Spät” in die Mittenverriegelungsposition erfolgt. Damit eine schnellere Entlastung der ersten Druckmittelleitung 45 auch bei einer Verdrehung der Nockenwellenverstelleinrichtung aus der Richtung „Früh” in die Mittenverriegelungsposition möglich ist, ist vorzugsweise auch an der in Richtung des zweiten Verriegelungsstifts 23 zeigenden Seite des Vorsprungs 50 eine Steuernut 44 vorgesehen.
5 zeigt, dass an der Stelle, an der der erste Endabschnitt 40 auf den Aufnahmeraum 48 trifft, eine Ringnut 51 vorgesehen ist. Bei einer Bewegung des Verriegelungsstifts 22 von der zweiten in die erste Schaltstellung wird somit ein größerer Strömungsquerschnitt geöffnet, wodurch ein höherer Volumenstrom erzielt werden kann.
6 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung in einer zweiten Ausführungsform in der Mittenverriegelungsposition. Die Schnittebene liegt dabei orthogonal zu einer Rotationsachse 52. Ferner sind die Flügel 4, 5, 6 und 7 zu erkennen, die die Druckräume 8, 9, 10 und 11 in die Arbeitskammern 12 bis 19 unterteilen. Die erste Druckmittelleitung 45 verläuft konzentrisch mit einem konstanten Radius r₁ um die Rotationsachse 52. Wenigstens zwei Steuernuten 53 und 54 sind auf einem Radius r₂ angeordnet, wobei der Radius r₂ kleiner ist als der Radius r₁. Alternativ kann der Radius r₂ auch größer als der Radius r₁ sein. Der wesentliche Unterschied zu der ersten Ausführungsform aus den 2 bis 5 liegt darin, dass die Steuernuten 53 und 54 räumlich von einem Aufnahmeraum 57 und 58 für die Verriegelungsstifte 22 und 23 getrennt sind. Der Aufnahmeraum 57 wird durch die Verriegelungskulisse 24 und Stirnseite der Rotornabe 3 gebildet (siehe 2); analog gilt dies für den Aufnahmeraum 58.
7 zeigt einen Deckel 59 einer Nockenwellenverstelleinrichtung aus einer perspektivischen Ansicht, in der die räumliche Trennung der Steuernuten 54 und 53 von den Aufnahmeräumen 57 und 58 dargestellt ist. Die Steuernuten 53 und 54 sind jeweils über eine radial ausgerichtete Verbindungsdruckmittelleitung 56 bzw. 57 mit der ersten Druckmittelleitung 45 strömungstechnisch verbunden. Eine unmittelbare strömungstechnische Verbindung zwischen den Steuernuten 53 und 54 mit den Aufnahmeräumen 57 und 58 besteht damit nicht.
In 6 sind ferner zwei Abströmdruckmittelleitungen 60 und 61 zu erkennen, die anders als bei der ersten Ausführungsform der Erfindung von dem Vorsprung 50 der Verriegelungskulisse 24 abgewandt sind (siehe 7). Die Abströmdruckmittelleitungen 60 und 61 sind, wie bei der ersten Ausführungsform, vorzugsweise durch eine Stichbohrung gebildet. Bei der in 6 dargestellten Mittenverriegelungsposition sind die beiden Abströmdruckmittelleitungen 60 und 61 von der Verriegelungskulisse 24 überdeckt, so dass keine strömungstechnische Verbindung zwischen den Abströmdruckmittelleitungen 60 und 61 mit den Steuernuten 53 und 54 vorhanden ist. Bei einer Bewegung der Nockenwellenverstelleinrichtung aus der Mittenverriegelungsposition wird in Abhängigkeit der Verstellbewegung in Richtung „Früh” oder „Spät” die Abströmdruckmittelleitung 60 mit der Steuernut 53 bzw. die Abströmdruckmittelleitung 61 mit der Steuernut 54 strömungstechnisch verbunden. Analog zu den ersten beiden Ausführungsformen wird durch die Verriegelungsstifte 22 und 23 eine Ventileinrichtung gebildet, so dass die strömungstechnische Verbindung mit dem Druckmittelreservoir T nur in der ersten Schaltstellung der Ventileinrichtung erfolgen kann.
Bezugszeichenliste

1: Stator
2: Rotor
3: Rotornabe
4: Flügel
5: Flügel
6: Flügel
7: Flügel
8: Druckraum
9: Druckraum
10: Druckraum
11: Druckraum
12: Arbeitskammer
13: Arbeitskammer
14: Arbeitskammer
15: Arbeitskammer
16: Arbeitskammer
17: Arbeitskammer
18: Arbeitskammer
19: Arbeitskammer
20: Verriegelungseinrichtung
21: Mehrwege-Schaltventil
22: Verriegelungsstift
23: Verriegelungsstift
24: Verriegelungskulisse
25: Druckmittelleitung
26: Druckmittelleitung
27: Druckmittelleitung
28: Druckmittelleitung
29: Rückschlagventil
30: Rückschlagventil
31: Steuerstifte
32: Steuerstifte
33: Druckmittelleitung
34: Druckmittelleitung
35: Steuerstift
36: Steuerstift
37: Druckmittelleitung
38: Druckmittelleitung
39: Abströmdruckmittelleitung
40: Erster Endabschnitt
41: Zweiter Endabschnitt
42: Mantelfläche
43: Ringnut
44: Steuernut
45: Druckmittelleitung
46: Druckmittelleitung
47: Druckmittelleitung
48: Aufnahmeraum
49: Ringkanal
50: Vorsprung
51: Ringnut
52: Rotationsachse
53: Steuernut
54: Steuernut
55: Druckmittelleitung
56: Druckmittelleitung
57: Aufnahmeraum (der Verriegelungskulisse)
58: Aufnahmeraum (der Verriegelungskulisse)
59: Deckel
60: Abströmdruckmittelleitung
61: Abströmdruckmittelleitung

Claims

Nockenwellenverstelleinrichtung mit – einem Flügelzellenversteller mit – einem mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine verbindbaren Stator (1) und – einem in dem Stator (1) drehbar gelagerten, mit einer Nockenwelle verbindbaren Rotor (2), wobei – an dem Stator (1) mehrere Stege vorgesehen sind, welche einen Ringraum zwischen dem Stator (1) und dem Rotor (2) in eine Mehrzahl von Druckräumen (8, 9, 10, 11) unterteilen, wobei – der Rotor (2) eine Mehrzahl von sich radial nach außen erstreckenden Flügeln (4, 5, 6, 7) aufweist, welche die Druckräume (8, 9, 10, 11) in zwei Gruppen von jeweils mit einem in einem Druckmittelkreislauf zu- oder abströmenden Druckmittel beaufschlagbare Arbeitskammern (12 bis 19) mit einer unterschiedlichen Wirkrichtung unterteilen, und – einer Verriegelungseinrichtung (20) zur Verriegelung des Rotors (2) in einer Mittenverriegelungsposition gegenüber dem Stator (1), wobei – die Verriegelungseinrichtung (20) wenigstens zwei in einer statorfesten Verriegelungskulisse (24) verriegelbare, federbelastete Verriegelungsstifte (22, 23) in einem Aufnahmeraum (48) aufweist, welche bei einer Verdrehung des Rotors (2) aus Richtung einer Anschlagstellung „Früh” oder „Spät” in die Mittenverriegelungsposition aus unterschiedlichen Richtungen in der Verriegelungskulisse (24) verriegeln, wobei – die Verriegelungsstifte (22, 23) durch Druckmittelbeaufschlagung über eine erste Druckmittelleitung (45) von einer ersten Schaltstellung entgegen einer Federkraft in eine zweite Schaltstellung bewegbar sind, wobei – der Verriegelungsstift (22, 23) mit dem jeweiligen Aufnahmeraum (48) eine Ventileinrichtung bildet, wobei – der Aufnahmeraum (48) über eine zusätzliche Abströmdruckmittelleitung (39, 60, 61) mit der ersten Druckmittelleitung (45) strömungstechnisch verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Steuernut (44, 53, 54) zur strömungstechnischen Verbindung der ersten Druckmittelleitung (45) mit der zusätzlichen Abströmdruckmittelleitung (39, 60, 61) vorgesehen ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine strömungstechnische Verbindung zwischen der ersten Druckmittelleitung (45) und der Steuernut (44, 53, 54) vorgesehen ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuernut (44, 53, 54) in einem statorfesten Bauteil der Nockenwellenverstelleinrichtung so angeordnet ist, dass die strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung (39, 60, 61) und der Steuernut (44, 53, 54) in der Mittenverriegelungsposition blockiert ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – bei einer Verdrehung des Rotors (2) gegenüber dem Stator (1) aus oder in die Mittenverriegelungsposition wenigstens eine Abströmdruckmittelleitung (39, 60, 61) strömungstechnisch mit der Steuernut (44, 53, 54) verbindbar ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – in einer ersten Schaltstellung des Verriegelungsstiftes (22, 23) die Abströmdruckmittelleitung (39, 60, 61) strömungstechnisch mit einem Druckmittelreservoir (T) verbunden ist, und – in einer zweiten Schaltstellung des Verriegelungsstiftes (22, 23) die strömungstechnische Verbindung zwischen der Abströmdruckmittelleitung (39, 60, 61) und dem Druckmittelreservoir (T) blockiert ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Erstreckung der Steuernut (44, 53, 54) in Umfangsrichtung so groß ist, dass die strömungstechnische Verbindung zwischen der Steuernut (44, 53, 54) und der Abströmdruckmittelleitung (39, 60, 61) während der Verdrehbewegung des Rotors (2) gegenüber dem Stator (1) aus einer Anschlagstellung „Früh” oder „Spät” bis unmittelbar vor Erreichen der Mittenverriegelungsposition freigegeben ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens zwei Steuernuten (44, 53, 54) vorgesehen sind, wobei – die erste Steuernut (53) so angeordnet ist, dass die strömungstechnische Verbindung zwischen der ersten Steuernut (53) und der ersten Druckmittelleitung (45) bei einer Verdrehung des Rotors (2) gegenüber dem Stator (1) aus der Anschlagstellung „Früh” in die Mittenverriegelungsposition freigegeben ist, und – die zweite Steuernut (44, 54) so angeordnet ist, dass die strömungstechnische Verbindung zwischen der zweiten Steuernut (44, 54) und der ersten Druckmittelleitung (45) bei einer Verdrehung des Rotors (2) gegenüber dem Stator (1) aus der Anschlagstellung „Spät” in die Mittenverriegelungsposition freigegeben ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuernut (44) unmittelbar an einem Vorsprung (50) der Verriegelungskulisse (24) vorgesehen ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuernut (44, 53, 54) auf einem Radius (r₂) zu einer Rotationsachse (52) vorgesehen ist, der von einem Radius (r₁) der ersten Druckmittelleitung (45) abweicht.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – die Steuernut (53, 54) und ein Aufnahmeraum (57, 58) der Verriegelungskulisse (24) räumlich voneinander getrennt sind.