DE10233044A1

DE10233044A1 - Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung einer Welle zu einem Antriebsrad

Info

Publication number: DE10233044A1
Application number: DE2002133044
Authority: DE
Inventors: Mark Dipl.-Ing. Feldhues
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-07-20
Filing date: 2002-07-20
Publication date: 2004-02-05

Abstract

Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle zu einem Antriebsrad, insbesondere einer Kubelwelle, mit einem mit der Nockenwelle drehfest verbundenen Innenkörper (1), der radial verlaufende Gegenflügel (6) aufweist, und mit einem angetriebenen Außenkörper (2), der mehrere über den Umfang verteilte Kolbenflügel (5) aufweist, die Zellen (4a-4d) bilden, welche von den darin winkelbeweglich geführten Gegenflügeln (6) in jeweils zwei Arbeitsräume (4a¶1¶ und 4a¶2¶ bis 4d¶1¶ und 4d¶2¶) unterteilt sind, bei deren Beaufschlagung der Innenkörper (1) relativ zum Außenkörper (2) verdreht wird. DOLLAR A Um eine Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung einer Welle zu einem Antriebsrad zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellbarkeit das Startverhalten der Brennkraftmaschine verbessert und eine schnellere Betriebsbereitschaft der Vorrichtung sicherstellt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung die hemmenden bzw. antreibenden Momente der Welle nutzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung einer Welle zu einem Antriebsrad nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der EP 0 924 393 B1 ist zur Änderung von Ventilsteuerzeiten während des Betriebes einer Brennkraftmaschine eine gattungsgemässe Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nokkenwelle der Brennkraftmaschine zu einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine beaufschlagten Antriebsrad bekannt. Die Vorrichtung weist ein mit der Nockenwelle drehfest verbundenes Innenteil mit radial verlaufenden Flügeln und ein angetriebenes Zellenrad mit mehreren über den Umfang verteilten Zellen auf, die von den darin winkelbeweglich geführten Flügeln des Innenteiles in jeweils zwei Druckräume unterteilt sind. Bei hydraulischer Beaufschlagung dieser Druckräume wird das Innenteil relativ zum Zellenrad verdreht

Derartige Vorrichtungen zur relativen Drehwinkeländerung einer Nockenwelle zu einem Antriebsrad haben den Nachteil, dass sie vom Hydraulikmittelkreislauf, d.h. vom Motorölkreislauf der Brennkraftmaschine abhängig sind. Insbesondere beim Start der Brennkraftmaschine steht der für die Verstellung benötigte Hydraulikdruck nicht unmittelbar zur Verfügung, was eine nachteilige zeitverzögerte Betriebsbereitschaft der Verstellvorrichtung bewirkt.

Aus der DE 40 27 641 C1 ist eine Vorrichtung zur selbsttätig gesteuerten Änderung der relativen Drehlage einer Nockenwelle zu einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Nockenwelle wird durch ein, eine erste Verzahnung tragendes Antriebsrad angetrieben, welches über ein in zwei Endlagen verschiebbares Koppelglied auf eine zweite, mit der Nockenwelle verbundene Verzahnung wirkt. Mindestens eine der beiden Verzahnungen ist eine Schrägverzahnung. Die Vorrichtung weist einen ortsfesten, das Koppelglied zumindest abschnittsweise koaxial umgebenden Zwischenrad-Lagerring auf, wobei zwischen Koppelglied und Lagerring ein Ringraum ausgebildet ist. Der Ringraum ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, deren Viskosität durch Anlegen einer Spannung derart erhöht wird, dass eine aus einem auf das Zwischenrad infolge der erhöhten Viskosität wirkenden Bremsmoment resultierende Axialkraft das Zwischenrad in Richtung einer der Endlagen verschiebt. Diese Vorrichtung bewirkt eine indirekte Verstellung, da ein hemmendes Moment benutzt wird um zu blockieren und dadurch eine Verstellung zu bewirken, indem Zwang auf die Schrägverzahnung ausgeübt wird. Um diese indirekte Verstellung zu ermöglichen, sind aufwändige Betätigungselemente, wie beispielsweise Zwischenrad und Endlager notwendig.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 198 17 319 A1 verwiesen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung einer Welle zu einem Antriebsrad zu schaffen, die bei einfachem Aufbau und kostengünstiger Herstellbarkeit das Startverhalten der Brennkraftmaschine verbessert und eine schnellere Betriebsbereitschaft der Vorrichtung sicherstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung unabhängig vom Hydraulikmittelkreislauf der Brennkraftmaschine arbeitet. Bereits beim Anlauf der Brennkraftmaschine ist eine Verstellung der Nockenwelle möglich, da unabhängig vom sich beim Start der Brennkraftmaschine erst aufbauenden Hydraulikmitteldruck eine direkte Nutzung eines Wechselmomentes der Nockenwelle zur Verstellung erfolgt. Das Moment stützt sich über radial angeordnete Flächen der Vorrichtung ab, d.h. die vorhandene Geometrie wird genutzt. Dies bedeutet, dass keine weiteren Betätigungslemente wie beispielsweise die interne Verzahnung erforderlich sind.

Vorteilhafterweise ist die direkte Nutzung der Wechselmomente zur Verstellung dadurch ermöglicht, dass die Arbeitsräume eine elektrorheologische oder eine magnetorheologische Flüssigkeit enthalten, wodurch kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird und eine einfache Auslösung der Verstellung durch Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines Magnetfeldes erfolgen kann.

Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung relativ grosse Toleranzen aufweisen, wodurch eine Herstellung der Teile durch Sintern möglich ist und nur eine geringe Nachbearbeitung dieser gesinterten Teile erforderlich ist.

Die Vorrichtung garantiert eine hohe Sicherheit der übertragbaren Momente, da sie nicht vom Hydraulikmitteldruck der Brennkraftmaschine abhängig ist. Desweiteren sind mit der erfindungsgemässen Vorrichtung grössere Momente als mit konventionellen hydraulischen Nockenwellenstellern übertragbar. Darüberhinaus garantiert die Vorrichtung eine sichere Haltewirkung, da es beim Haltevorgang weder zur Leckage noch zu Regelungenauigkeiten kommen kann, da die Flüssigkeit zu diesem Zeitpunkt starr ist. Der erfindungsgemässe Nockenwellensteller kann in diesem Zustand wie ein Kettenrad betrieben werden.

Dabei zeigen:
1 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung mit einem Innenkörper und einem Aussenkörper und
2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung, bei welcher der Innenkörper in den Aussenkörper eingesetzt ist.
Nachfolgend ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung einer Welle zu einem Antriebsrad beschrieben, wobei es sich bei der Vorrichtung insbesondere um einen Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine zur Verstellung einer Nockenwelle zu einem Antriebsrad handelt.
Auf einer hier nicht dargestellten und Gaswechselventile beaufschlagenden Nockenwelle einer Brennkraftmaschine sitzt ein drehfest mit der Nockenwelle verbundener Innenkörper 1 eines Nockenwellenverstellers, dem ein Aussenkörper 2 zugeordnet ist, der an seinem Aussenumfang Verzahnungen 3 aufweist, über die die Nockenwelle von einem hier nicht dargestellten Antriebsrad einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird, wobei der Antrieb mittels Kettentrieb, Zahnriemenantrieb, Zahnradantrieb o.ä. erfolgt.
Der Aussenkörper 2 weist über seinen Umfang verteilt, radial nach innen ragende und Zellen 4a–4d bildende Kolbenflügel 5 auf, denen seitens des Innenkörpers 1 Gegenflügel 6 zugeordnet sind. Gemäss 2 begrenzen jeweils zwei Kolbenflügel 5 des Aussenkörpers 2 eine Zelle 4a–4d, in welcher ein Gegenflügel 6 des Innenkörpers 1 liegt, wobei der Innenkörper 1 mit seinen ihm zugeordneten Gegenflügeln 6 quasi einen Flügelrotor bildet, der gegenüber dem Aussenkörper 2 über einen Winkelbereich verstellbar ist, der durch die einen Anschlag bildenden Kolbenflügel 5 einer Zelle 4a–4d begrenzt ist, wobei der Verstellwinkel in der Regel zwischen 40° und 60° beträgt.
Innerhalb der jeweiligen Zelle 4a–4d begrenzen Kolbenflügel 5 des Aussenkörpers 2 und Gegenflügel 6 des Innenkörpers 1 jeweils zwei Arbeitsräume 4a₁ und 4a₂ bis 4d₁ und 4d₂ . Die Flüssigkeit kann innerhalb dieser beiden Arbeitsräume 4a₁ und 4a₂ bis 4d₁ und 4d₂ über in die Gegenflügel 6 eingebrachte Bohrungen 7 zirkulieren.
Durch Beaufschlagung dieser Arbeitsräume 4a₁ –4d₂ kann der Innenkörper 1 relativ zum Aussenkörper 2 und damit die Nokkenwelle relativ zur Kurbelwelle verdreht werden.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine entstehen im Ventiltrieb und nachfolgend im Steuertrieb im Zusammenspiel von Gaswechselventilen und Nockenwelle sowohl hemmende als auch antreibende Momente, die auf die Nockenwelle wirken. Ein hemmendes Nockenwellenmoment entsteht beim Öffnungsvorgang des Gaswechselventiles, wenn der Nocken zur Öffnung des Ventiles auf dem Ventil aufläuft, wohingegen beim Schliessen des Ventiles durch den ablaufenden Nocken ein antreibendes Nockenwellenmoment entsteht.
Zur Verstellung der Nockenwelle nutzt die erfindungsgemässe Vorrichtung nun diese hemmenden und antreibenden Nockenwellenmomente im Ventiltrieb der Brennkraftmaschine in Summe, d.h. es findet anstelle einer aktiven Verstellung der Nockenwelle durch gezieltes Einbringen von Drucköl in die jeweiligen Arbeitsräume eine passive Verstellung durch Nutzung der hemmenden bzw. der antreibenden Nockenwellenmomente statt.
Um die Nockenwellenmomente nutzen zu können, enthalten die Arbeitsräume 4a₁ –4d₂ eine elektrorheologische Flüssigkeit oder eine magnetorheologische Flüssigkeit, welche die Verstellung bewirkt.
Durch den Einfluss eines elektrischen Feldes bei elektrorheologischen Flüssigkeiten bzw. eines Magnetfeldes bei magnetor heologischen Flüssigkeiten ändern diese ihre Viskosität vom Zustand flüssig bis hin zu starr, wobei die Viskosität über ein Feld stufenlos steuerbar ist. Zur Anregung der elektrorheologischen Flüssigkeiten dienen sowohl elektrische Gleich- als auch Wechselspannungsfelder. Die hierbei erforderliche elektrische Leitung ist vergleichsweise gering. Magnetorheologische Flüssigkeiten verändern ihren Fliesswiderstand unter Einfluss eines starken Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke.
Im Betriebsmodus der Brennkraftmaschine in dem keine Verstellung gewünscht ist, ist die Flüssigkeit in den Arbeitsräumen 4a₁ –4d₂ hochviskos, d.h. es ist eine Relativbewegung zwischen Innenkörper 1 und Aussenkörper 2 möglich und es findet keine Verstellung der Nockenwelle statt.
Im Betriebsmodus der Brennkraftmaschine in dem eine Verstellung gewünscht ist, erfahren die beiden zusammenwirkenden Arbeitsräume 4a₁ und 4a₂ bis 4d₁ und 4d₂ einer Zelle 4a–4d eine geänderte Volumenaufteilung durch Verdrängung des fluiden Mediums aus einem Arbeitsraum 4a₁ –4d₂ in den benachbarten Arbeitsraum 4a₁ –4d₂ bis der Soll-Verstellwinkel erreicht ist, d.h. bei einer Verstellung werden die Volumina der Arbeitsräume 4a₁ –4d₂ um vorgegebene Beträge vergrössert oder verringert. Die Zirkulation des Fluides wird also gezielt ermöglicht oder unterbunden. Es handelt sich also nicht um eine aktive Druckbeaufschlagung der Arbeitsräume 4a₁ –4d₂ , sondern um eine gezielte Abstützung der wirkenden Nockenwellenmomente.
D.h. zur Nutzung der Nockenwellenmomente wird die Relativbewegung zwischen Innenkörper 1 und Aussenkörper 2 der Vorrichtung zu einem vorbestimmten Zeitpunkt unterbunden, wodurch die Vorrichtung arretiert wird, indem eine elektrische Spannung zwischen Innenkörper 1 und Aussenkörper 2 angelegt bzw. ein Magnetfeld auf die gesamte Vorrichtung aufgeprägt wird. Dadurch wird die Viskosität der Flüssigkeit soweit erhöht, dass die Flüssigkeit erstarrt und somit eine Arretierung der Vorrichtung bewirkt. Hierdurch bewirkt das zu diesem Zeitpunkt auf die Nockenwelle wirkende, hemmende bzw. antreibende Moment jeweils in Summe eine Verstellung der Nockenwelle gegenüber der diese antreibenden Kurbelwelle, indem sich das Moment an der in Momentenrichtung liegenden, radial angeordneten Kolbenflügelfläche 5a, 5b des Aussenkörpers 2 abstützt.
Ist der Zeitpunkt und die Dauer von beispielsweise Nockenwellenwechselmomenten bekannt, kann über die Motorelektronik winkelbezogen eine elektrische Spannung angelegt bzw. ein Magnetfeld aufgeprägt werden. Nach einer Abfrage der hemmenden und der antreibenden Nockenwellenmomente können diese Momente durch gezielte Ansteuerung der Vorrichtung durch die Motorelektronik genutzt werden.

Claims

Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung einer Welle zu einem Antriebsrad, mit einem mit der Welle drehfest verbundenen Innenkörper (1), der radial verlaufende Gegenflügel (6) aufweist und mit einem angetriebenen Aussenkörper (2), der mehrere über den Umfang verteilte Kolbenflügel (5) aufweist, die Zellen (4a–4d) bilden, die von den darin winkelbeweglich geführten Gegenflügeln (6) in jeweils zwei Arbeitsräume (4a₁ und 4a₂ bis 4d₁ und 4d₂ ) unterteilt sind, bei deren Beaufschlagung der Innenkörper (1) relativ zum Aussenkörper (2) verdreht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung die hemmenden bzw. antreibenden Momente der Welle nutzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsräume (4a₁ und 4a₂ bis 4d₁ und 4d₂ ) eine elektrorheologische oder magnetorheologische Flüssigkeit enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenflügel (6) Bohrungen (7) zum wechselweisen Übertritt eines Mediums von dem ersten Arbeitsraum (4a₁ bis 4d₁ ) in den zweiten Arbeitsraum (4a₂ bis 4d₂ ) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch Anlegen einer Spannung an die elektrorheologische Flüssigkeit bzw. durch Aufprägen eines Magnetfeldes auf die magnetorheologische Flüssigkeit arretiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkörper (1) und der Aussenkörper (2) aus elektrisch leitfähigem Material bestehen, gegeneinander elektrisch isoliert und an die Pole einer Spannungsquelle anschliessbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenkörper (1) und der Aussenkörper (2) aus magnetisierbarem Material bestehen und an eine Magnetisierungsquelle anschliessbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wellenmomente an den radial angeordneten Flächen der Flügel (5, 6) des Innenkörpers (1) und des Aussenkörpers (2) abstützen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsraum (4a₁ und 4a₂ bis 4d₁ und 4d₂ ) durch jeweils einen Kolbenflügel (5) und einen Gegenflügel (6) begrenzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zelle (4a bis 4d) zwei über im jeweiligen Gegenflügel (6) eingebrachte Bohrungen (7) miteinander in Verbindung stehende Arbeitsräume (4a₁ und 4a2 bis 4d₁ und 4d₂ ) aufweist.