DE102014220578A1

DE102014220578A1 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102014220578A1
Application number: DE102014220578.6A
Authority: DE
Inventors: Torsten Zschieschang
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Vorgeschlagen ist ein hydraulisches Nockenwellenverstellsystem (1) mit einem hydraulischen Nockenwellenversteller (2), einem Steuerventil (3) und zumindest zwei Regelventilen (4, 5), wobei der Nockenwellenversteller (2) ein Abtriebselement (7) und ein Antriebselement (6) aufweist, wobei das Antriebselement (6) und das Abtriebselement (7) hydraulische Druckkammern (A, B) definieren, die eine Winkelverstellung zwischen den beiden Elementen (6, 7) bewirken, wobei die Regelventile (4, 5) im Leitungssystem (8) zwischen den hydraulischen Druckkammern (A, B) und dem Steuerventil (3) angeordnet sind, wobei das eine Regelventil (4, 5) von der einen Druckkammer (A, B) betätigbar ist und das andere Regelventil (4, 5) von der anderen Druckkammer (A, B) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelventile (4, 5) jeweils als 3/2 Wegeventile ausgebildet sind und in einer Stellung des Regelventils (4, 5) ein Kurzschluss zwischen den Anschlüssen des Regelventils (4, 5), welche den Druckkammern (A, B) zugeordnet sind, derart ausgebildet ist, dass zwischen zwei in gegensätzlicher Richtung wirkenden Druckkammern (A, B) ein Hydraulikmittelstrom durch das Regelventil (4, 5) stattfinden kann.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller.
Hintergrund der Erfindung
Nockenwellenversteller werden in Verbrennungsmotoren zur Variation der Steuerzeiten der Brennraumventile eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Die Anpassung der Steuerzeiten an die aktuelle Last und Drehzahl senkt den Verbrauch und die Emissionen. Zu diesem Zweck sind Nockenwellenversteller in einen Antriebsstrang integriert, über welche ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb ausgebildet sein.
Bei einem hydraulischen Nockenwellenversteller bilden das Abtriebselement und das Antriebselement ein oder mehrere Paare gegeneinander wirkende Druckkammern aus, welche mit Hydraulikmittel beaufschlagbar sind. Das Antriebselement und das Abtriebselement sind koaxial angeordnet. Durch die Befüllung und Entleerung einzelner Druckkammern wird eine Relativbewegung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement erzeugt. Die auf zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement rotativ wirkende Feder drängt das Antriebselement gegenüber dem Abtriebselement in eine Vorteilsrichtung. Diese Vorteilsrichtung kann gleichläufig oder gegenläufig zu der Verdrehrichtung sein.
Eine Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Flügelzellenversteller. Der Flügelzellenversteller weist einen Stator, einen Rotor und ein Antriebsrad mit einer Außenverzahnung auf. Der Rotor ist als Abtriebselement meist mit der Nockenwelle drehfest verbindbar ausgebildet. Das Antriebselement beinhaltet den Stator und das Antriebsrad. Der Stator und das Antriebsrad werden drehfest miteinander verbunden oder sind alternativ dazu einteilig miteinander ausgebildet. Der Rotor ist koaxial zum Stator und innerhalb des Stators angeordnet. Der Rotor und der Stator prägen mit deren, sich radial erstreckenden Flügeln, gegensätzlich wirkende Ölkammern aus, welche durch Öldruck beaufschlagbar sind und eine Relativdrehung zwischen dem Stator und dem Rotor ermöglichen. Die Flügel sind entweder einteilig mit dem Rotor bzw. dem Stator ausgebildet oder als „gesteckte Flügel“ in dafür vorgesehene Nuten des Rotors bzw. des Stators angeordnet. Weiterhin weisen die Flügelzellenversteller diverse Abdichtdeckel auf. Der Stator und die Abdichtdeckel werden über mehrere Schraubenverbindungen miteinander gesichert.
Eine andere Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Axialkolbenversteller. Hierbei wird über Öldruck ein Verschiebeelement axial verschoben, welches über Schrägverzahnungen eine Relativdrehung zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement erzeugt.
Eine weitere Bauform eines Nockenwellenverstellers ist der elektromechanische Nockenwellenversteller, der ein Dreiwellengetriebe (beispielsweise ein Planetengetriebe) aufweist. Dabei bildet eine der Wellen das Antriebselement und eine zweite Welle das Abtriebselement. Über die dritte Welle kann dem System mittels einer Stelleinrichtung, beispielsweise ein Elektromotor oder eine Bremse, Rotationsenergie zugeführt oder aus dem System abgeführt werden. Eine Feder kann zusätzlich angeordnet werden, welche die Relativdrehung zwischen Antriebselement und Abtriebselement unterstützt oder zurückführt.
Solche Nockenwellenversteller werden in Ventiltrieben von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, wie sie bspw. aus der DE 102 39 748 A1 bekannt sind. Aus dem Stand der Technik, etwa der US 2008/0173267 A1 oder der US 7,182,052 B2 oder der DE 10 2008 000 083 A1 sind auch Nockenwellenversteller als Ventilzeitsteuergeräte bekannt. Dort steuert ein Ventilzeitsteuergerät einen Ventilzeitpunkt eines Einlass-/Auslassventils einer Verbrennungskraftmaschine. Das Gerät hat ein Gehäuse, das mit einer Antriebswelle gedreht wird. Das Gehäuse hat einen Kammerraum, der einen Schaufelrotor aufnimmt, der mit einer angetriebenen Welle zu einer Verzögerungs- und einer Voreilseite relativ zu dem Gehäuse drehbar ist, indem er mit einem Hydraulikdruck in einer Verzögerungs- und Voreilkammer in dem Kammerraum beaufschlagt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller anzugeben, der eine besonders zuverlässige Betriebsweise und eine hohe Verstellgeschwindigkeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Hierdurch wird erreicht, dass im Fall eines in einer der Druckkammern durch ein Nockenwellenwechselmoment erzeugten Unterdrucks ein Regelventil in seiner Position verschoben wird und das Regelventil einen Kurzschluss zwischen den beiden Druckkammern zulässt, damit das Öl aus der Kammer mit dem Überdruck in die Kammer mit dem Unterdruck abfließen kann. Vorteilhafterweise kann so das Öl aus der Kammer mit dem durch ein Nockenwellenwechselmoment erzeugten Überdruck in die Kammer mit dem Unterdruck geleitet werden, welche zugleich mit der Druckmittelpumpe verbunden ist, um vergrößert zu werden, damit eine Verstellung erfolgen kann. Die aus dem Stand der Technik bekannte OPA-Verstellung wird somit unterstützt und in ihrer Leistungsfähigkeit, insbesondere Verstellgeschwindigkeit, verbessert.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Regelventil mittels eines in einer der Druckkammern vorhandenen Unterdrucks entgegen einer Feder in seiner Position verschoben. Vorteilhafterweise sichert die Feder die Ruheposition des Regelventils bzw. der Regelventile, in der ein herkömmlicher OPA-Verstellbetrieb erfolgen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist in der Ruhepositionen der Regelventile die zu vergrößernde Druckkammer mit der Druckmittelquelle verbunden und die dementsprechend zu verkleinernde Druckkammer mit dem Tank verbunden.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Regelventilen im Leitungssystem des Nockenwellenverstellers wird eine höhere Verstellgeschwindigkeit und eine geringerer Öldurchsatz erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.
Es zeigen:
1 das Nockenwellenverstellsystem im OPA-Betriebsmodus,
2 das Nockenwellenverstellsystem mit einem verstellten Regelventil zur Unterstützung der Verstellung in einer ersten Richtung und
3 das Nockenwellenverstellsystem mit einem verstellten Regelventil zur Unterstützung der Verstellung in einer zweiten Richtung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt das Nockenwellenverstellsystem im OPA-Betriebsmodus.
Der OPA-Betriebsmodus ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Der hydraulische Nockenwellenversteller 2 ist vorzugsweise als Flügelzellenversteller ausgebildet und weist ein Antriebselement 6, welches bspw. über ein Kettenrad mit der Kurbelwelle in Verbindung steht und ein Abtriebselement 7, welches mit einer Nockenwelle drehfest verbindbar bzw. verbunden ist, auf. Bevorzugterweise können zwischen Antriebselement 6 und Abtriebselement 7 Federelemente angeordnet sein, die das Antriebselement 6 und das Abtriebselement 7 miteinander verspannen.
Gemäß der Erfindung ist in dieser Ausführungsform das Leitungssystem 8 Teil des Nockenwellenverstellers 2 und das Steuerventil 3 als Zentralventil ausgebildet. Das Steuerventil 3 hat einen Steuerkolben 11, eine auf diesen wirkende Rückstellfeder 13 und einen den Steuerkolben 11 betätigbaren Elektromagneten 12.
Die Regelventile 4, 5 sind als Schieberkolben ausgebildet und können innerhalb des Nockenwellenverstellers 2 angeordnet sein. Beide Regelventile 4, 5 sind weitestgehend gleicher Gestalt – jedes besitzt einen Anschluss mit dem Steuerventil 3, einen Anschluss mit der Druckkammer A und einen Anschluss mit der Druckkammer B. Jedes Regelventil 4, 5 kann zwei Positionen einnehmen. Die Ruheposition jedes Regelventils 4, 5 wird durch die Feder 9 erreicht. In der Ruheposition ist der Anschluss zu der Druckkammer A bzw. B mit dem Anschluss zum Steuerventil 3 verbunden, so dass das Druckmittel durch das Regelventil 4, 5 hindurch von oder zu der entsprechenden Druckkammer A bzw. B fließen kann. Der Anschluss zur jeweils anderen Druckkammer B bzw. A ist bei diesem Regelventil 4, 5 in der Ruheposition geblockt. Allerdings ist die jeweils andere Druckkammer B bzw. A auch mit der Stirnseite des Regelventils 4, 5 fluidleitend verbunden, an der die Feder 9 angreift. In der betätigten Position lässt das Regelventil 4, 5 einen Druckmittelfluss zwischen den beiden Druckkammern A, B durch das Regelventil hindurch zu. Der Anschluss zum Steuerventil 3 ist in der betätigten Position geblockt. Das Rückschlagventil 14 verhindert ein Rückfließen des Druckmittels zur Druckmittelquelle.
Im Fall gemäß 1 tritt kein Unterdruck in der Druckkammer B auf – die Verstellung in Verstellrichtung 10 kann „nach links“ erfolgen und führt zu einer Verkleinerung der Druckkammer A. Das Druckmittel aus der Druckkammer A wird dadurch zum Tank T durch das Regelventil 4 und durch das Steuerventil 3 hindurch ausgeschoben, während von der Druckmittelquelle P das Druckmittel durch das Steuerventil 3 und durch das andere Regelventil 5 der Druckkammer B zugeführt wird. Die Druckkammer B wird vergrößert.
2 zeigt das Nockenwellenverstellsystem mit einem verstellten Regelventil zur Unterstützung der Verstellung in einer ersten Richtung.
Der Fall gemäß 2 baut auf den OPA-Verstellmodus nach 1 auf. Nun tritt aufgrund der Nockenwellenwechselmomente bzw. des Nockenwellenwechselmoments in Richtung der Druckkammer A bzw. in Verstellrichtung 10 ein in der Druckkammer B sehr kurzzeitig wirkender Unterdruck auf, der eine Verschiebung des Regelventils 4 entgegen der Federkraft bewirkt. Nun ist das Regelventil 4 in seiner zweiten Position und verbindet die Druckkammer A nicht mehr mit dem Tank T sondern mit der Druckkammer B. So kann die Verstellgeschwindigkeit des Abtriebselements 7 relativ zum Antriebselement 6 erhöht werden, da Druckmittel zur Druckkammer B aus der Druckkammer A nachgefördert bzw. abgesaugt werden kann und der auftretende Unterdruck nicht mehr der Verstellrichtung 10 entgegen wirkt und die Verstellung bremst. Zugleich bleibt die Druckmittelquelle P mit der Druckkammer B verbunden.
3 zeigt das Nockenwellenverstellsystem mit einem verstellten Regelventil zur Unterstützung der Verstellung in einer zweiten Richtung.
Im Fall gemäß 3 ist eine Verstellrichtung 10 erwünscht, welche der Verstellrichtung 10 der 1 und 2 entgegengesetzt ist. Nun tritt aufgrund der Nockenwellenwechselmomente bzw. des Nockenwellenwechselmoments in Richtung der Druckkammer B bzw. in Verstellrichtung 10 ein in der Druckkammer A sehr kurzzeitig wirkender Unterdruck auf, der eine Verschiebung des Regelventils 5 entgegen der Federkraft bewirkt. Nun ist das Regelventil 5 in seiner zweiten Position und verbindet die Druckkammer B nicht mehr mit dem Tank T sondern mit der Druckkammer A. So kann die Verstellgeschwindigkeit des Abtriebselements 7 relativ zum Antriebselement 6 erhöht werden, da Druckmittel zur Druckkammer A aus der Druckkammer B nachgefördert bzw. abgesaugt werden kann und der auftretende Unterdruck nicht mehr der Verstellrichtung 10 entgegen wirkt und die Verstellung bremst. Zugleich bleibt die Druckmittelquelle P mit der Druckkammer B verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenverstellsystem
2: Nockenwellenversteller
3: Steuerventil
4: Regelventil
5: Regelventil
6: Antriebselement
7: Abtriebselement
8: Leitungssystem
9: Feder
10: Verstellrichtung
11: Steuerkolben
12: Elektromagnet
13: Feder
14: Rückschlagventil

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

DE 10239748 A1 [0007]
US 2008/0173267 A1 [0007]
US 7182052 B2 [0007]
DE 102008000083 A1 [0007]

Claims

Hydraulisches Nockenwellenverstellsystem (1) mit einem hydraulischen Nockenwellenversteller (2), einem Steuerventil (3) und zumindest zwei Regelventilen (4, 5), wobei der Nockenwellenversteller (2) ein Abtriebselement (7) und ein Antriebselement (6) aufweist, wobei das Antriebselement (6) und das Abtriebselement (7) hydraulische Druckkammern (A, B) definieren, die eine Winkelverstellung zwischen den beiden Elementen (6, 7) bewirken, wobei die Regelventile (4, 5) im Leitungssystem (8) zwischen den hydraulischen Druckkammern (A, B) und dem Steuerventil (3) angeordnet sind, wobei das eine Regelventil (4, 5) von der einen Druckkammer (A, B) betätigbar ist und das andere Regelventil (4, 5) von der anderen Druckkammer (A, B) betätigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelventile (4, 5) jeweils als 3/2 Wegeventile ausgebildet sind und in einer Stellung des Regelventils (4, 5) ein Kurzschluss zwischen den Anschlüssen des Regelventils (4, 5), welche den Druckkammern (A, B) zugeordnet sind, derart ausgebildet ist, dass zwischen zwei in gegensätzlicher Richtung wirkenden Druckkammern (A, B) ein Hydraulikmittelstrom durch das Regelventil (4, 5) stattfinden kann.
Nockenwellenverstellsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (4, 5) mittels eines in einer der Druckkammern (A, B) vorhandenen Unterdrucks entgegen einer Feder (9) in seiner Position verschoben wird.
Nockenwellenverstellsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ruhepositionen der Regelventile (4, 5) die zu vergrößernde Druckkammer (A, B) mit der Druckmittelquelle (P) verbunden ist und die dementsprechend zu verkleinernde Druckkammer (A, B) mit dem Tank (T) verbunden ist.