DE10325352A1 - Vorrichtung zum Verstellen der relativen Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und mindestens einer Nockenwelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zum Verstellen der relativen Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und mindestens einer Nockenwelle (11, 12) aus, die von einer Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine über ein Kettenrand (13) und ein Koppelgetriebe angetrieben wird, von dem mindestens ein Koppelglied (21, 22, 23 bzw. 24, 25, 26) durch einen Stellmotor geschwenkt werden kann. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass das Koppelgetriebe zwischen einem Antriebsrad (14), das zusammen mit dem Kettenrad (13) drehfest verbunden und auf einer gemeinsamen Achse (32) unabhängig von der Nockenwelle (11, 12) gelagert ist, und einem Nockenwellenrand (19, 20) auf der Nockenwelle (11, 12) angeordnet ist, wobei das Antriebsrad (14) mit einem ersten Zwischenrad (15, 17) kämmt, das übe ein zweites Zwischenrad (16, 18) mit dem Nockenwellenrad (19, 20) trieblich verbunden ist, und die Zwischenräder (15, 17 bzw. 16, 18) auf Gelenkachsen (27, 29 bzw. 28, 30) gelagert sind, die jeweils untereinander und mit der Achse (32) bzw. der Nockenwelle (11, 12) durch Koppelglieder (21 bis 26) gelenkig verbunden sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen der relativen Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und mindestens einer Nockenwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Nockenwellenversteller werden bei ventilgesteuerten Brennkraftmaschinen eingesetzt, um die Drehwinkellage einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle oder weiteren Nockenwellen zu verändern bzw. eine Phasenverschiebung hervorzurufen. Dadurch werden die Öffnungszeiten der Gaswechselventile relativ zum oberen Totpunkt eines Kolbens in Richtung früh oder spät verstellt, um den Ladungswechsel der Brennräume bzw. Zylinder in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine zu optimieren.
• Aus der DE 101 27 168 A1 ist ein Nockenwellenversteller bekannt, der ein Flügelrad besitzt. Dieses ist drehfest mit der Nockenwelle verbunden und begrenzt drehbar in einem Antriebsteil gelagert, das in der Regel über einen Zahnriemen oder über eine Kette mit einem Kettenrad von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, bei Viertaktmaschinen mit einer halben Drehzahl der Kurbelwelle, angetrieben wird. Das Flügelrad greift mit seinen Flügeln in Zwischenräume des Antriebsteils, die von radial nach innen weisenden Vorsprüngen gebildet werden. Die Vorsprünge begrenzen den maximalen Drehwinkel, um den das Flügelrad relativ zum Antriebsteil verdreht werden kann. Zwischen den Flügeln und den Vorsprüngen werden hydraulische Druckkammern gebildet, die über ein Steuerventil angesteuert werden, so dass sich die relative Lage des Flügelrads zum Antriebsteil aus den Druckverhältnissen der Druckkammern ergibt, die in Umfangsrichtung zu beiden Seiten eines Flügels liegen.
• Das Kettenrad umgibt das Antriebsteil und ist koaxial zur Nockenwelle angeordnet auf Grund des erforderlichen Übersetzungsverhältnisses zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle und ist somit das für den vertikalen Bauraum bestimmende Bauteil des Steuerantriebs. Sind pro Zylinderreihe zwei Nockenwellen vorgesehen, muss die Kette zwei Kettenräder antreiben. Dadurch ergeben sich lange Ketten mit einer niedrigen Steifigkeit des Kettentriebs sowie eine erhöhte Reibung, durch die der Wirkungsgrad des Antriebs reduziert wird. Wenn ferner der Versorgungsdruck durch die Motorölpumpe erzeugt wird, ist der Verstellbereich stark eingeschränkt, weil wegen des geringen Druckniveaus die Anzahl der Flügelelemente erhöht werden muss. Ein großer Verstellbereich ist nur bei reduzierter Flügelzahl möglich. Dies erfordert aber ein erhöhtes Druckniveau und eine zusätzliche Pumpe, wodurch zusätzlicher Bauraum beansprucht wird und die Kosten steigen.
• Aus der EP 0 974 739 ist eine variable Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen bekannt, deren funktionsgleiche Gaswechselventile über zwei synchron angetriebene, zusammenwirkende Nockenwellen betätigt werden. Eine der Nockenwellen wird von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben, während die andere Nockenwelle mit der ersten Nockenwelle über ein Koppelgetriebe triebmäßig verbunden ist. Das Koppelgetriebe besteht aus zwei drehfest auf der Nockenwelle sitzenden Nockenwellenrädern, die jeweils mit einem Zwischenrad kämmen. Die Zwischenräder stehen ihrerseits miteinander im Zahneingriff und sind drehbar auf Gelenkachsen gelagert, die einerseits über Koppelglieder auf den Nockenwellen schwenkbar gelagert und andererseits über ein Koppelglied miteinander gelenkig verbunden sind. Wird ein Koppelglied durch eine Stelleinrichtung, z.B. einen elektrischen Stellmotor mit einem nachgeschalteten Untersetzungsgetriebe in Form eines Spindelgetriebes, um eine Nockenwellenachse bzw. eine Gelenkachse geschwenkt, verändert sich die Phasenlage der beiden Nockenwellen entsprechend dem Schwenkwinkel und dem Übersetzungsverhältnis zwischen den Nockenwellenrädern und den Zwischenrädern.
• Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DE 100 52 801 A1 bekannt, bei der als lineare Stelleinrichtung ein hydraulischer Zylinder mit einem Kolben dient. Auch hierbei bestimmt das Kettenrad den erforderlichen vertikalen Bauraum des Steuerantriebs. Durch das Koppelgetriebe kann zwar die Phasenlage der zweiten Nockenwelle zur ersten Nockenwelle verändert werden, nicht jedoch die Phasenlage der ersten Nockenwelle zur Kurbelwelle. Somit ändert sich nur die Phasenlage der zweiten Nockenwelle zur Kurbelwelle entsprechend der Veränderung der Phasenlage zur ersten Nockenwelle.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Bauraumbedarf für eine Ventilsteuerung mit einer hochdynamischen Verstelleinrichtung zu verringern. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Nach der Erfindung ist das Koppelgetriebe zwischen einem Antriebsrad, das zusammen mit dem Kettenrad drehfest verbunden und auf einer gemeinsamen Achse unabhängig von der Nockenwelle gelagert ist, und einem Nockenwellenrad angeordnet, das auf der Nockenwelle sitzt. Das Antriebsrad kämmt mit einem ersten Zwischenrad, das über ein zweites Zwischenrad mit dem Nockenwellenrad trieblich verbunden ist.
• Die Zwischenräder sind auf Gelenkachsen gelagert, die jeweils untereinander und mit der Achse bzw. der Nockenwelle durch Koppelglieder gelenkig verbunden sind. Dadurch kann das Kettenrad mit dem Antriebsrad im Steuergehäuse weit gehend freizügig angeordnet werden, wobei der Abstand zwischen dem Antriebsrad und der Nockenwelle durch das Koppelgetriebe überbrückt wird. Somit bestimmt das Kettenrad nicht mehr den vertikalen Bauraumbedarf. Dieser wird vielmehr durch die Lagerbrücken der Nockenwelle bestimmt. Dadurch ergibt sich eine niedrige Bauweise, bei der gleichzeitig die Verletzungsgefahr beim Aufprall von Fußgängern im Fall eines Unfalls reduziert ist.
• Ferner wird durch die kurze Antriebskette wegen des geringen Abstands der Kurbelwelle vom nockenwellenseitigen Kettenrad die Steifigkeit des Kettentriebs erhöht und in Folge der reduzierten Reibung der Wirkungsgrad des Steuerantriebs verbessert. Als Stellantrieb für die Verstellung eines Koppelglieds ist es zweckmäßig, einen Elektromotor oder einen hydraulischen Antrieb mit elektrisch angetriebener Hydraulikpumpe zu verwenden, da in diesem Fall die Phasenlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle auch bei Stillstand der Brennkraftmaschine verändert und insbesondere auf die optimalen Bedingungen für einen Neustart der Brennkraftmaschine eingestellt werden kann.
• Die Stellvorrichtung mit dem Koppelgetriebe erlaubt hohe Stellgeschwindigkeiten und ermöglicht einen großen Stellbereich. Werden zwei Nockenwellen je Zylinderreihe einer Brennkraftmaschine vorgesehen, ist es vorteilhaft, dass beide Nockenwellen von einem gemeinsamen Antriebsrad über zwei getrennte Koppelgetriebe angetrieben werden. Dadurch können die Phasenlagen der Nockenwellen voneinander unabhängig relativ zur Kurbelwelle und damit auch unabhängig zueinander eingestellt werden, so dass die Ventilsteuerzeiten optimal auf den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abgestimmt werden können.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
• Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
• Dabei zeigen:
• 1 eine schematische, perspektivische Teilansicht eines Nockenwellenantriebs von vorne,
• 2 eine schematische Teilansicht eines Nockenwellenantriebs von hinten und
• 3 eine schematische Teilansicht eines Nockenwellenantriebs von oben.
• Bei der Ausführung nach 1 sind zwei parallel zueinander angeordnete Nockenwellen 11 und 12 einer Zylinderreihe einer nicht näher dargestellten Hubkolbenbrennkraftmaschine zugeordnet. Ein Kettenrad 13, das beiden Nockenwellen 11 und 12 gemeinsam zugeordnet ist, wird mit der halben Drehzahl einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben und hat daher einen relativ großen Durchmesser. Es ist auf einer Achse 32 verbunden mit einem Antriebsrad 14 unabhängig von den Nockenwellen 11 und 12 drehbar in einem Steuergehäuse gelagert.
• Das Antriebsrad 14 treibt die beiden Nockenwellen 11 und 12 über getrennte Koppelgetriebe an. Das der Nockenwelle 11 zugeordnete Koppelgetriebe besteht aus einem drehfest auf der Nockenwelle 11 sitzenden Nockenwellenrad 19, das mit einem ersten Zwischenrad 15 kämmt. Dieses steht mit einem zweiten Zwischenrad 16 im Zahneingriff, das von dem Antriebsrad 14 angetrieben wird. Die Zwischenräder 15 und 16 sind auf Gelenkbolzen 27 und 28 drehbar gelagert, die über Koppelglieder 21, 22, 23 einerseits mit der Nockenwelle 11 und der Achse 32 und andererseits untereinander gelenkig verbunden sind. Das zweite Koppelgetriebe ist entsprechend aufgebaut und besitzt ein Nockenwellenrad 20, ein erstes Zwischenrad 17, ein zweites Zwischenrad 18 sowie Koppelglieder 24, 25, 26 und Gelenkbolzen 29, 30.
• Wie 2 zeigt, bestimmt nicht mehr das Kettenrad 13 die vertikale Begrenzung 31 des Steuerantriebs, sondern die nicht näher dargestellten Lagerbrücken der Nockenwellen 11 und 12. Da das Kettenrad 13 näher an die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gerückt ist, ist die Kette selbst sehr kurz und besitzt eine größere Steifigkeit als übliche Antriebsketten. Dadurch ergeben sich geringere Reibungsverluste und ein höherer Wirkungsgrad.
• Zum Verstellen der Phasenlage greift an ein Koppelglied 21, 22, 23 bzw. 24, 25, 26 eine nicht dargestellte Stelleinrichtung an, wie sie z.B. aus dem Stand der Technik, der DE 100 52 801 A1 oder der EP 0 974 793 A1 , bekannt sind. Durch das Verschwenken der Koppelglieder 21, 22, 23 bzw. 24, 25, 26 rollen die Zwischenräder 15, 16 bzw. 17, 18 entsprechend dem Schwenkwinkel aufeinander ab und verstellen somit die Phasenlage der Nockenwellenräder 19, 20 und der zugehörigen Nockenwellen 11, 12 relativ zum Antriebsrad 14 und damit zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Verstellen der relativen Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und mindestens einer Nockenwelle, die von einer Kurbelwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine über ein Kettenrad und ein Koppelgetriebe angetrieben wird, von dem mindestens ein Koppelglied durch einen Stellmotor geschwenkt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelgetriebe (15, 16, 21, 22, 23, 27, 28; 17, 18, 24, 25, 26, 29,30,) zwischen einem Antriebsrad (14), das zusammen mit dem Kettenrad (13) drehfest verbunden und auf einer gemeinsamen Achse (32) unabhängig von der Nockenwelle (11, 12) gelagert ist, und einem Nockenwellenrad (19, 20) auf der Nockenwelle (11, 12) angeordnet ist, wobei das Antriebsrad (14) mit einem ersten Zwischenrad (16, 18) kämmt, das über ein zweites Zwischenrad (15, 17) mit dem Nockenwellenrad (19, 20) trieblich verbunden ist, und die Zwischenräder (15, 16; 17, 18) auf Gelenkachsen (27, 28; 29, 30) gelagert sind, die jeweils untereinander und mit der Achse (32) bzw. der Nockenwelle (19, 20) durch Koppelglieder (21, 22; 24, 25) gelenkig verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Nockenwellen (11, 12) einer Zylinderreihe von einem Antriebsrad (14) über zwei getrennte Koppelgetriebe (15, 16, 21, 22, 23, 27, 28; 17, 18, 24, 25, 26, 29,30,) angetrieben werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das das Kettenrad (13) innerhalb einer Begrenzung (31) liegt, die durch Lagerbrücken einer Nockenwelle (11, 12) bzw. beider Nockenwellen (11, 12) bestimmt ist.