DE102014220727A1

DE102014220727A1 - Nockenwellenversteller mit Zentralventil und Rückschlagventilen

Info

Publication number: DE102014220727A1
Application number: DE102014220727.4A
Authority: DE
Inventors: Ali BAYRAKDAR
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Nockenwellenversteller (3) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Stator (7), mit einem drehfest mit einer Nockenwelle (1) verbundenen Rotor (6), mit mit Druckmittel beaufschlagbaren Arbeitskammern, die in gegensinnig wirkende Druckräume unterteilt und von einem Steuerventil (21) beherrscht sind, das zentral in der Nockenwelle (1) oder in einem mit der Nockenwelle (1) verbundenen Einsatz oder in einem Gehäuse angeordnet ist, die im Folgenden auch Zentralgehäuse (4) genannt werden, wobei das Zentralgehäuse (4) Arbeitskammeranschlüsse (A und B) aufweist, und mit einer im Zentralgehäuse (4) fixierten Steuerhülse (8) mit Steueröffnungen (23), wobei zwischen dem Zentralgehäuse (4) und der Steuerhülse (8) ein zentraler Druckanschluss mündet, der ein Zentralrückschlagventil (9) aufweist, und mit einem in der Steuerhülse (8) beweglich geführten federbelasteten Steuerkolben (10), wobei mit dem Steuerkolben (10) eine maschinenfest angeordnete Betätigungseinheit (5) in Wirkverbindung steht, wobei strömungstechnisch den Arbeitskammeranschlüssen (A und B) zugeordnet innerhalb des Zentralgehäuses (4) zumindest ein Rückschlagventil vorgesehen ist und wobei die Rückschlagventile Querschnitte an dem Zentralgehäuse (4) oder an der Steuerhülse (8) oder an dem Steuerkolben (10) beherrschen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nockenwellenversteller für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Stator, mit einem drehfest mit einer Nockenwelle verbundenen Rotor, mit mit Druckmittel beaufschlagbaren Arbeitskammern, die in gegensinnig wirkende Druckräume unterteilt und von einem Steuerventil beherrscht sind, das zentral in der Nockenwelle oder in einem mit der Nockenwelle verbundenen Einsatz oder in einem Gehäuse angeordnet ist, die im Folgenden auch Zentralgehäuse genannt werden, wobei das Zentralgehäuse Arbeitskammeranschlüsse aufweist, und mit einer im Zentralgehäuse fixierten Steuerhülse mit Steueröffnungen, wobei zwischen dem Zentralgehäuse und der Steuerhülse ein zentraler Druckanschluss mündet, der ein Zentralrückschlagventil aufweist, und mit einem in der Steuerhülse beweglich geführten federbelasteten Steuerkolben, wobei mit dem Steuerkolben eine maschinenfest angeordnete Betätigungseinheit in Wirkverbindung steht.
Derartige Nockenwellenversteller sind allgemein bekannt. Der Nockenwellenversteller der DE 10 2008 051 145 A1 weist eine Zentralschaube auf, die den Nockenwellenversteller fixiert und das Steuerventil beinhaltet. Der Druckanschluss an das Motoröl der Brennkraftmaschine wird über eine Lagerstelle zugeführt und axial an das Zentralventil weitergeleitet. Die DE 11 2011 103 133 T5 offenbart einen Nockenwellenversteller, bei dem das Druckmittel dem Steuerventil radial zugeführt wird. Es sind zwei Steuerkolben vorgesehen, zwischen denen ein Zwischenstück eingebaut ist, in dem ein Steuerschieberkanal eingebaut ist, der mittels eines Rückschlagventils eine Verteilung des Druckmittels zu den Arbeitskammeranschlüssen beeinflusst. Diese Ausgestaltung ist sehr aufwendig, weil ein dreiteiliger Steuerkolben vorgesehen ist, der zwei Druckmittelanschlüsse aufweist und einen Druckspeicher beinhaltet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Nockenwellenversteller der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass das eigentliche Steuerventil unverändert bleibt und zusätzlich eine übergeordnete Beeinflussung der Arbeitskammeranschlüsse gegeben ist. Dies soll mit einfachen kostengünstigen Mitteln erfolgen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass strömungstechnisch den Arbeitskammeranschlüssen zugeordnet innerhalb des Zentralgehäuses zumindest eine Rückschlagventil vorgesehen ist und dass die Rückschlagventile zusätzliche Querschnitte an dem Zentralgehäuse oder an der Steuerhülse oder am Steuerkolben beherrschen. Die Rückschlagventile können zu Einheiten von zwei Ventilen zusammengefasst sei, von denen mehrere Einheiten über den Umfang des Steuerventils verteilt sein können. An den Einheiten kann je eines der Rückschlagventile einem der Arbeitskammeranschlüsse zugeordnet sein. Die Rückschlagventile sind dabei im Steuerventil so angeordnet, dass sie nur auf die Überdrücke, die größer als der Versorgungsdruck sind, reagieren. Treten in den Arbeitskammern des Nockenwellenverstellers und damit in den Arbeitskammeranschlüssen A und B Überdrücke auf, die durch Wechselmomente entstehen können, so werden die Rückschlagventile aktiv und lassen Überdrücke zu dem zentralen Druckanschluss gelangen. Da das Druckmittel wegen des zentralen Rückschlagventils nicht aus dem Steuerventil zurückfließen kann, wird nun die Druckwelle zur anderen Kammer geführt. Dadurch können zwar kleine relative Verstellungen des Rotors zum Stator entstehen. Diese sind aber vernachlässigbar klein. Danach entstehen überall gleichgroße Drücke und das entsprechende Rückschlagventil kann nicht öffnen, da es federvorgespannt ist. Der Zu- und Abfluss von Druckmittel durch vom Steuerkolben beherrschten Öffnungen ist dabei nicht betroffen. Dadurch ist eine hervorragende hydraulische Abstützung geschaffen und der Nockenwellenversteller kann sich nicht mehr in eine unerwünschte Richtung verstellen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Rückschlagventile als federbelastete Ventilklappen ausgebildet sind, die den Arbeitskammeranschlüssen auf der Innenseite des Zentralgehäuses zugeordnet sind. In einer alternativen Ausgestaltung sind die Rückschlagventile als federbelastete Ventilklappen ausgebildet, die den Steueröffnungen an der Außenseite der Steuerhülse zugeordnet sind. Wird bei diesen Ausgestaltungen der Steuerkolben durch die Betätigungseinheit so verstellt, dass Druckmittel zum Beispiel zu dem Arbeitskammeranschluss B gelangen soll, so wird gleichzeitig Druckmittel von dem Arbeitskammeranschluss A abgeleitet. Am Arbeitskammeranschluss A kann dann durch Wechselmomente ein Überdruck entstehen. Das Druckmittel aus dem Arbeitskammeranschluss A wird dabei bis zu einer Ventilklappe durchgeleitet, von dort zum zentralen Druckanschluss geführt und dann in den Arbeitskammeranschluss B weitergeleitet. Entsteht ein Wechselmoment, das zu einer Druckerhöhung am Arbeitskammeranschluss B führen würde, ohne, dass eine Verstellung erfolgen soll, wird der Überdruck am Arbeitskammeranschluss B nun zurück zum zentralen Druckanschluss geleitet und dort durch das Rückschlagventil zum Arbeitskammeranschluss A und das Zentralrückschlagventil gestoppt.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass im Steuerkolben eine Zusatzhülse eingebaut ist, die mit dem Steuerkolben einen Ringraum bildet, dass an den Ringraum Zusatzöffnungen als Strömungsverbindung zu den Arbeitskammeranschlüssen und zumindest eine Druckanschlussbohrung in der Wand des Steuerkolbens angeordnet sind und dass die Ventilklappen an den Zusatzöffnungen auf der Innenseite des Steuerkolbens angeordnet sind. Es ist aber auch möglich, dass bei dieser Ausgestaltung die Ventilklappen nicht an den Zusatzöffnungen auf der Innenseite des Steuerkolbens sondern an der Druckanschlussbohrung auf der Außenseite des Steuerkolbens zugeordnet sind. Die Funktionsweise dieser beiden Ausgestaltungen entspricht grundsätzlich den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen, wobei Druckmittel aus dem zentralen Druckanschluss durch die Druckanschlussbohrung in der Wand des Steuerkolbens in den Ringraum zwischen Zusatzhülse und Steuerkolben gelangen kann, wodurch dieser Ringraum strömungstechnisch integriert ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass am Außenumfang des Steuerkolbens zwei Ringnuten eingearbeitet sind. Diese erleichtern die Verbindung der Arbeitskammeranschlüsse bei Überdruck mit dem zentralen Druckanschluss. Die Ringnuten können strömungstechnisch mit den Zusatzöffnungen an der Steuerhülse verbunden sein. Dabei münden die Zusatzöffnungen im Steuerkolben in die Ringnuten ein, so dass diese Zusatzöffnungen mit federbelasteten Ventilklappen versehen werden können. Die Ventilklappen können an einem Federstreifen oder einer Blattfeder angeordnet sein, so dass dieser Federstreifen oder die Blattfeder die Federkraft aufbringt und die Ventilklappen als Rückschlagventile dienen können. Die Ventilklappen können an diesem Federstreifen oder an der Blattfeder befestigt oder einstückig mit diesem/dieser ausgeführt sein. Die Ventilklappen können auch an einem ringförmigen Band angebracht sein, das vorzugsweise geschlitzt und drehfixiert ist, so dass es sich dem jeweiligen Umfang anpassen kann. Statt der Ventilklappen kann auch ein aufweitbares oder komprimierbares Federband eingebaut sein, so dass das Federband oder das ringförmige Band gleichzeitig die Funktion der Rückschlagventile übernimmt.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beschrieben:
1 zeigt einen Schnitt durch einen Nockenwellenversteller und durch ein Endstück einer Nockenwelle sowie eine Ansicht einer Betätigungseinheit,
2 zeigt einen Querschnitt durch den Nockenwellenversteller gemäß 1,
3 zeigt eine Außenansicht einer Steuerhülse und eines Steuerkolbens mit federbelasteten Klappenventilen,
4 zeigt einen Schnitt durch das Steuerventil mit Schnitt durch das Zentralgehäuse,
5 zeigt eine Ansicht entsprechend 3 in einer um ca. 45° verdrehten Stellung,
6 zeigt einen Schnitt entsprechend 4 in ebenfalls gegenüber 4 verdrehten Stellung,
7 bis 10 zeigen Ansichten und Schnitte entsprechend den 3 bis 6 mit modifizierten Ventilklappen,
11 bis 14 zeigen Ansichten und Schnitte entsprechend den 3 bis 6 mit im Steuerkolben eingebauter Zusatzhülse und
15 bis 18 zeigen Ansichten und Schnitte entsprechend den 3 bis 6 mit im Steuerkolben eingebauter Zusatzhülle und weiter modifizierten Rückschlagventilen.
In den 1 bis 18 ist, soweit im Einzeln dargestellt, mit 1 eine Nockenwelle bezeichnet, die mittels eines Endlagers 2 am Zylinderkopf oder einem Bauteil des Zylinderkopfes einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gelagert und geführt ist. Im Anschluss an das Endlager 2 ist ein allgemein mit 3 bezeichneter Nockenwellenversteller angebaut, der über ein als Schraube ausgebildetes Zentralgehäuse 4 mit der Nockenwelle 1 verbunden ist. An das freie Ende eines noch im Folgenden beschriebenen Steuerkolbens 10 ist eine mit 5 bezeichnete Betätigungseinheit angebaut, die die Axialbewegung des Steuerkolbens 10 beherrscht. Der Nockenwellenversteller 3 weist einen Rotor 6 auf, der mit dem mit 7 bezeichneten Stator Arbeitskammern bildet, die mit Arbeitskammeranschlüssen A und B in Verbindung stehen. Der Stator 7 ist, nicht dargestellt, mit der Kurbelwelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine drehverbunden. Das Zentralgehäuse 4 ist als Hülse ausgebildet und weist Bohrungen für die Arbeitskammeranschlüsse A und B auf. In das Zentralgehäuse 4 ist eine Steuerhülse 8 eingebaut, die einerseits an einem Innenanschlag des Zentralgehäuses 4 und andererseits mittels eines Federringes im Zentralgehäuse 4 fixiert ist. Durch die zentrale Öffnung am Zentralgehäuse 4, die der Nockenwelle 1 benachbart ist, wird mittels eines zentralen Druckanschlusses von der Brennkraftmaschine über das Endlager 2 Druckmittel zugeführt, wobei das Druckmittel ein mit 9 bezeichnetes Zentralrückschlagventil passieren muss. Das Druckmittel gelangt dann in den Raum zwischen das Zentralgehäuse 4 und der Steuerhülse 8. In der Steuerhülse 8 ist ein Steuerkolben 10 eingebaut, der einerseits durch eine Druckfeder 11 belastet ist und andererseits durch den Federring in seiner Bewegung begrenzt ist. Der Steuerkolben 10 weist einen aus der Zentralhülse 4 herausragenden Kopf auf, der mit der Betätigungseinheit 5 in Wirkverbindung steht, sodass der Steuerkolben 10 durch die Betätigungseinheit 5 achsverschoben werden kann.
Wie in den 3 bis 6 dargestellt, kann das Druckmittel über Öffnungen innerhalb der Steuerhülse 8 in einen Mantelraum 13 am Außenumfang des Steuerkolbens 10 gelangen. In Umfangsrichtung getrennt zu den üblichen Öffnungen für die Zufuhr von Druckmittel zu den Arbeitskammeranschlüssen A und B aufgrund der Steuerung durch den Steuerkolben 10 sind Steueröffnungen 23 eingearbeitet, die auf der Außenseite der Steuerhülse 8 mit federbelasteten Ventilklappen 15 versehen sind. Die Ventilklappen 15 sind an einem Federstreifen 16 befestigt bzw. mit diesem einstückig ausgeführt, wobei sich der Federstreifen 16 an der Innenwand des Zentralgehäuses 4 abstützt. Gemäß den 3 bis 6 hat der Steuerkolben 10 eine solche Axialstellung, dass Druckmittel von dem Mantelraum durch eine der üblichen Öffnungen zu dem Arbeitskammeranschluss 6 gelangt und den Arbeitskammeranschluss A drucklos schaltet, um den Nockenwellenversteller zu verdrehen. Entsteht nun am Arbeitskammeranschluss A durch das Wechselmoment ein Überdruck, so wird das Druckmittel durch eine der Ringnuten 17 in eine der Öffnungen geleitet. Der Überdruck trifft nun mit dem Druckmittel des zentralen Druckanschlusses zusammen und der Überdruck wird in den Arbeitskammeranschluss B weitergeleitet. Somit erfolgt eine kleine Verstellung aufgrund der Druckwelle. Ändert sich nun das Wechselmoment, so entsteht ein Überdruck an dem Arbeitskammeranschluss B. Hat der Steuerkolben 10 eine solche Stellung, dass keine weitere Verstellung erfolgen soll und die üblichen Öffnungen geschlossen sind, wird der in der entsprechenden Kammer erzeugte Überdruck zum Arbeitskammeranschluss B zurück geleitet. Dieser Überdruck kann direkt oder durch die entsprechende Ringnut 17 an den zentralen Druckanschluss geleitet werden. Er wird allerdings dort vom Zentralrückschlagventil 9 einerseits und von der anderen federbelasteten Ventilklappe 15, die nun geschlossen wird, gestoppt. Der Überdruck kann nicht über den Arbeitskammeranschluss A in die entsprechende Kammer gelangen und auch nicht nach außen über das zentrale Rückschlagventil 9 hinaus. Somit wird eine hervorragende hydraulische Abstützung geschaffen, wodurch der Nockenwellenversteller nicht in eine unerwünschte Richtung verstellt wird. Das Gleiche trifft für eine Verschiebung des Steuerkolbens 10 zu, wenn dieser so verschoben wird, dass der Arbeitskammeranschluss A mit dem Druckmittel im zentralen Druckanschluss verbunden werden soll. Soll der Nockenwellenversteller nicht verstellt werden, so befindet sich der Steuerkolben 10 in einer Mittelstellung, wodurch beide Arbeitskammeranschlüsse A und B verschlossen sind.
Die Funktionsweise des Steuerventils gemäß den 7–10 entspricht der der 3 bis 6. Der Unterschied besteht im Wesentlichen darin, dass, wie in den 9 und 10 ersichtlich, der Federstreifen 16 sich am Außenumfang der Steuerhülse 8 abstützt und die Ventilklappen 15 von innen an den Arbeitskammeranschlüssen A und B anliegen. Dabei können die in den 4 und 6 dargestellten Ringnuten 17 am Steuerkolben 10 entfallen.
In den Ausführungsbeispielen gemäß den 11 bis 18 ist im Steuerkolben 10 eine Zusatzhülse 18 eingebaut, die mit dem Steuerkolben 10 einen Ringraum 19 bildet. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist die Druckfeder 11 in ihrem Durchmesser verkleinert und korrespondiert mit der Zusatzhülse 18. An den umlaufenden Ringnuten 17 am Steuerkolben 10 gemäß den 3 bis 6 sind Zusatzöffnungen 14 angeschlossen, die von den Ringnuten 17 zum Innenraum des Steuerkolbens 10 führen und mit dem Ringraum 19 korrespondieren können. Weiterhin sind vom Mantelraum 13 aus Druckanschlussbohrungen 20 vorgesehen, so dass Druckmittel in den Ringraum 19 gelangen kann. An den inneren Öffnungen der Zusatzöffnungen 14 sind federbelastete Ventilklappen 15 vorgesehen, die die Zusatzöffnungen 14 von innen her verschließen können. Die Federbelastung der Ventilklappen 15 kann über ein komprimierbares Federband 22 erfolgen. Die Ventilklappen 15 können aber auch Bestandteil des Federbandes 22 sein, das durch eine Komprimierbarkeit die Zusatzöffnungen freigeben kann. Anstelle der Rückschlagventile in dem Ringraum 19 passend zu den Zusatzöffnungen 14 können auch die Druckanschlussbohrungen 20 von außen mittels eines aufweitbaren Federbandes, das durch eine Aufweitbarkeit federbelasteten Ventilklappen entspricht, vorgesehen sein. Die Funktionsweise des Steuerventils und der Rückschlagventile gemäß den 11 bis 18 entspricht grundsätzlich der Arbeitsweise des Steuerventils 21 gemäß den 3 bis 6.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwelle
2: Endlager
3: Nockenwellenversteller
4: Zentralgehäuse
5: Betätigungseinheit
6: Rotor
7: Stator
A, B: Arbeitskammeranschlüsse
8: Steuerhülse
9: Zentralrückschlagventil
10: Steuerkolben
11: Druckfeder
13: Mantelraum
14: Zusatzöffnungen
15: Ventilklappen
16: Federstreifen
17: Ringnuten
18: Zusatzhülse
19: Ringraum
20: Druckanschlussbohrungen
21: Steuerventil
22: Federband
23: Steueröffnungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008051145 A1 [0002]
DE 112011103133 T5 [0002]

Claims

Nockenwellenversteller (3) für eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Stator (7), mit einem drehfest mit einer Nockenwelle (1) verbundenen Rotor (6), mit mit Druckmittel beaufschlagbaren Arbeitskammern, die in gegensinnig wirkende Druckräume unterteilt und von einem Steuerventil (21) beherrscht sind, das zentral in der Nockenwelle (1) oder in einem mit der Nockenwelle (1) verbundenen Einsatz oder in einem Gehäuse angeordnet ist, die im Folgenden auch Zentralgehäuse (4) genannt werden, wobei das Zentralgehäuse (4) Arbeitskammeranschlüsse (A und B) aufweist, und mit einer im Zentralgehäuse (4) fixierten Steuerhülse (8) mit Steueröffnungen (23), wobei zwischen dem Zentralgehäuse (4) und der Steuerhülse (8) ein zentraler Druckanschluss mündet, der ein Zentralrückschlagventil (9) aufweist, und mit einem in der Steuerhülse (8) beweglich geführten federbelasteten Steuerkolben (10), wobei mit dem Steuerkolben (10) eine maschinenfest angeordnete Betätigungseinheit (5) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass strömungstechnisch den Arbeitskammeranschlüssen (A und B) zugeordnet innerhalb des Zentralgehäuses (4) zumindest ein Rückschlagventil vorgesehen ist und dass die Rückschlagventile Querschnitte an dem Zentralgehäuse (4) oder an der Steuerhülse (8) oder an dem Steuerkolben (10) beherrschen.
Nockenwellenversteller (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagventile als federbelastete Ventilklappen (15) ausgebildet sind, die den Arbeitskammeranschlüssen (A und B) auf der Innenseite des Zentralgehäuse (4) zugeordnet sind.
Nockenwellenversteller (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückschlagventile als federbelastete Ventilklappen (15) ausgebildet sind, die den Steueröffnungen (23) an der Außenseite der Steuerhülse (8) zugeordnet sind.
Nockenwellenversteller (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuerkolben (10) eine Zusatzhülse (18) eingebaut ist, die mit dem Steuerkolben (10) einen Ringraum (19) bildet, dass in der Wand des Steuerkolbens (10) Zusatzöffnungen (14) und zumindest eine Druckanschlussbohrung (20) angeordnet sind und dass die Ventilklappen (15) an den Zusatzöffnungen (14) auf der Innenseite des Steuerkolbens (10) angeordnet sind.
Nockenwellenversteller (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuerkolben (10) eine Zusatzhülse (18) eingebaut ist, die mit dem Steuerkolben (10) einen Ringraum (19) bildet, dass in der Wand der Steuerkolbens (10) Zusatzöffnungen (14) und zumindest eine Druckanschlussbohrung (20) angeordnet sind und dass die Ventilklappen (15) den Druckanschlussbohrungen (20) auf der Außenseite des Steuerkolbens (10) zugeordnet sind.
Nockenwellenversteller (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang des Steuerkolbens (10) zwei Ringnuten (17) eingearbeitet sind, die strömungstechnisch mit den Steueröffnungen (23) an der Steuerhülse (8) verbindbar sind.
Nockenwellenversteller (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuerkolben (10) Zusatzöffnungen (14) eingearbeitet sind, die in die Ringnuten (17) einmünden.
Nockenwellenversteller (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilklappen (15) an einem Federstreifen (16) oder einer Blattfeder angeordnet sind.
Nockenwellenversteller (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilklappen (15) an einem ringförmigen Band befestigt sind.
Nockenwellenversteller (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statt der Ventilklappen (15) ein aufweitbares oder kamprimierbares Federband (22) eingebaut ist.