-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen variablen Phasenmechanismus, auch Phaser genannt, zur Verwendung in einem Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, um eine Variation der Kurbelwinkel zu ermöglichen, bei denen die Ventile des Motors öffnen und schließen.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Bekanntlich hat die Ventilsteuerung einen erheblichen Einfluss auf die Motorleistung und die optimale Einstellung hängt von den Betriebsbedingungen des Motors ab. Um die Leistung unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu optimieren, ist es notwendig, die Ventilsteuerzeiten variieren zu können.
-
Es sind Mechanismen mit variabler Phase bekannt, die eine Welle, eine auf der Welle gelagerte und mit einem Nocken drehfeste Hülse, ein Kupplungsjoch, das durch einen ersten Drehzapfen mit der Welle und durch einen zweiten Drehzapfen mit der Hülse verbunden ist, sowie Mittel umfassen, die das Joch um den ersten Drehzapfen schwenken lassen, um einen Phasenwechsel zwischen der Welle und der Hülse zu bewirken. Derartige Mechanismen werden hier als Joch-Phaser bezeichnet. Beispiele sind in
EP0733154 und
EP1030035 zu finden.
-
EP2044297 beschreibt einen Doppel-Phaser, der ähnlich aufgebaut ist wie die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Doppel-Phaser besitzt zwei Abtriebselemente, die zwei verschiedene Sätze von Nockenscheiben antreiben, die sich entweder auf getrennten Nockenwellen befinden oder auf einer gemeinsamen Nockenwelle montiert sind, und ermöglicht es, die Phasenlage beider Sätze von Nockenscheiben relativ zur Phase der Kurbelwelle einzustellen. In dem letztgenannten Patent treibt, wie nachstehend erläutert, ein Flügel-Phaser einen der Nockensätze und ein Joch-Phaser den anderen Satz an.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung von Joch-Phasern, und obwohl sie im Folgenden unter Bezugnahme auf einen Doppel-Phaser beschrieben wird, ist sie auch auf einen Einzel-Phaser anwendbar.
-
Die
1 der beigefügten Zeichnungen stammt aus der
EP2044297 und wird im Folgenden beschrieben, um das Problem zu erklären, das durch die vorliegende Erfindung gelöst wird.
-
Der Doppel-Phaser 110 der
1 hat ein Antriebselement 112, das über eine Kette, die in die Zähne des Kettenrads 114 eingreift, drehbar mit einer Kurbelwelle gekoppelt ist. Das Antriebselement 112 hat eine zentrale Bohrung 116, die von einem vorderen Lager 118 der Nockenwelle getragen wird. Der Doppel-Phaser 110 umfasst einen Flügel-Phaser mit Flügeln 120, die durch bogenförmige Hohlräume 122 im Antriebselement 112 hindurchgehen und gegen diese abdichten und an ihren gegenüberliegenden axialen Enden an den vorderen und hinteren Verschlussplatten 124 und 126 befestigt sind. Der Aufbau des Flügel-Phasers ist im Allgemeinen ähnlich wie in der
GB 2421557 , in der er ausführlicher beschrieben ist.
-
Ein Joch 128 befindet sich im Inneren des Antriebselements 112 hinter der Frontplatte 124 und ist mit dem Antriebselement 112 durch einen Stift 130 verbunden, der in einer radialen Bohrung 132 befestigt ist und in einen Drehzapfen 134 eingreift, der drehbar in eine axial verlaufende Bohrung 136 im Joch 128 passt. Diese Verbindung ermöglicht es dem Joch 128, sich um einen Stift 142 zu drehen, der es mit dem vorderen Nockenwellenlager 118 verbindet, und eine exzentrische Position einzunehmen. Das Joch 128 wird durch zwei Stifte 140 positioniert, die in der Frontplatte 124 des Phasers befestigt sind und in das konturierte Außenprofil des Jochs 128 eingreifen. Das Profil an der radial äußeren Oberfläche des Jochs 128 bewirkt, dass es sich um den Drehzapfen 134 dreht, während sich die beiden Stifte 140 in der Frontplatte 124 des Phasers mit den Flügeln 120 drehen.
-
Der Doppel-Phaser 110 ist für den Antrieb einer montierten Nockenwelle vorgesehen (in 1 nicht dargestellt) die eine Innenwelle und ein konzentrisches Außenrohr aufweist, welche jeweils mit einem Satz von Nocken drehfest verbunden sind. Das Außenrohr der Nockenwelle wird über den vorderen Lagerzapfen 118 angetrieben, der wiederum vom Joch 128 über den Verbindungsstift 142 angetrieben wird. Die innere Welle der Nockenwelle wird über eine Gewindewelle 144 angetrieben, die durch die Mitte des Phasers 110 verläuft und über eine Mutter 146 an der Frontplatte 124 befestigt ist.
-
Die Frontplatte des Phasers besteht aus zwei Teilen 124a, 124b, um die Ölverteilung innerhalb des Phasers zu vereinfachen, obwohl alternativ auch ein einziges Teil mit komplexen Ölbohrungen verwendet werden könnte. Der innere Teil 124a berührt die Enden der Schaufeln 120 und dichtet die Vorderseite der Hohlräume 122 im Antriebselement 112 ab, während der äußere Teil 124b die Ölverteilungsschlitze 148 abdichtet, die im inneren Teil 124a ausgebildet sind. Der äußere Teil 124b verfügt außerdem über Zeitmessfunktionen, die es einem Sensor ermöglichen, die Position des Phasers während des Betriebs zu erfassen. Vier Flügelbefestigungen und die zentrale Antriebswellenmutter 146 dienen zum Zusammenklemmen der beiden Teile.
-
Die 2a, 2b und 2c zeigen Schnitte durch das Antriebselement 112 und das Joch 128 des Phasers aus 1 in drei verschiedenen Positionen. In 2a, die der Mitte des Bereichs entspricht, befindet sich das Joch 128 in einer konzentrischen Position, während in den 2b und 2c die Schaufeln 120 ganz nach hinten bzw. ganz nach vorne geschoben sind. Es ist zu erkennen, dass sich der Bolzen 142 im Joch 128, der es mit dem vorderen Lager und damit mit dem Außenrohr der Nockenwelle verbindet, um die Nockenwellenmitte in zu den Schaufeln 120 entgegengesetzter Richtung und auch in einem anderen Winkel als die Schaufeln 120 bewegt.
-
Obwohl der Phaser 110 in der gezeigten Darstellung das Joch 128 so zeigt, dass sich das Außenrohr der Nockenwelle in entgegengesetzter Richtung zu ihrer Innenwelle dreht, kann das Profil der radial äußeren Oberfläche des Jochs 128 so verändert werden, dass sich die beiden Nockenwellenteile in die gleiche Richtung, aber um unterschiedliche Beträge drehen. Die Bewegungen der beiden Phaserausgänge können eine lineare oder nichtlineare Beziehung zueinander haben, aber es kann nur eine Jochposition für jede vorbestimmte Flügelstellung geben.
-
Der Ausgang des Flügel-Phasers bewirkt, dass Kontaktelemente entlang einer konturierten Oberfläche gleiten. Bei der Ausführungsform gemäß 1 sind die Kontaktelemente die Stifte 140 und die konturierte Oberfläche ist die Umfangsfläche des Jochs 128, aber es ist alternativ möglich, dass das Joch Elemente trägt, die auf einer umgebenden, nach innen gerichteten Oberfläche gleiten.
-
Der Joch-Phaser liefert einen Phasenausgang, der proportional zum Flügel-Phaser ist, der aber eine andere Geschwindigkeit, Größe und Richtung haben kann, und der die Fähigkeit besitzt, auch die Richtung über seinen Bereich relativ zu seinem Eingang umzukehren.
-
Bislang gab es bei Joch-Phasern Probleme beim Ausgleich der Phasenlage in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Diese Probleme ergaben sich aus (i) der Reibung zwischen den Kontaktelementen und der konturierten Oberfläche und (ii) den Widerstandsmomenten der Nockenwelle, insbesondere wenn der Jochausgang die Richtung relativ zu seinem Eingang umkehren kann.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Phaser vom Joch-Typ bereitgestellt, der ein Antriebselement und ein angetriebenes Element aufweist, die um eine gemeinsame Achse drehbar sind und miteinander mittels eines Jochs gekoppelt sind, das in einer Ebene senkrecht zur gemeinsamen Achse beweglich ist, um die relative Phase des angetriebenen Elements relativ zum Antriebselement durch Wechselwirkung zwischen mindestens zwei Kontaktelementen und einer konturierten Oberfläche zu verändern, wobei eines von (i) den Kontaktelementen und (ii) der konturierten Oberfläche zur Drehung mit dem Antriebselement verbunden ist und das andere auf dem Joch montiert ist, wobei jedes Kontaktelement eine Rolle in Oberflächenkontakt mit einer teilzylindrischen Aussparung in einem Träger umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger von mindestens einem der Kontaktelemente entweder geeignet dimensioniert oder einstellbar montiert ist, um die Abstände zwischen den Rollen und der konturierten Oberfläche einzustellen.
-
Anstelle der Stifte 140, die auf der konturierten Außenfläche des Jochs 128 gleiten, schlägt die vorliegende Erfindung die Verwendung von Rollen vor. Es ist jedoch nicht ausreichend, z. B. Rollen vorzusehen, die in einer V-förmigen Aussparung ruhen, da dies nur zu einem Linienkontakt führen würde. Dies würde zu hohen Pressungen und damit zu hohen Reibungskräften führen. Stattdessen ruhen die Rollen im ersten Aspekt der Erfindung in Trägern und nehmen Oberflächenkontakt auf, um ihre freie Drehung zu ermöglichen. Indem die Position der Rollen verstellt werden kann, ermöglicht die Erfindung die Einstellung der Abstände im Phaser.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Doppel-Phaser zum Verbinden eines Antriebselements mit einem ersten und einem zweiten angetriebenen Element bereitgestellt, wobei alle drei Elemente um eine gemeinsame Achse drehbar sind, wobei das Antriebselement mit dem ersten angetriebenen Element mittels eines ersten Phasers und mit dem zweiten angetriebenen Element mittels eines Joch-Phasers verbunden ist, der ein Joch umfasst, das in einer Ebene senkrecht zur gemeinsamen Achse beweglich ist, um die Phase des zweiten angetriebenen Elements relativ zum Antriebselement durch Wechselwirkung zwischen mindestens zwei Kontaktelementen und einer konturierten Oberfläche zu verändern, wobei eines von (i) den Kontaktelementen und (ii) der konturierten Oberfläche durch das erste angetriebene Element definiert oder an diesem montiert ist und das andere durch das Joch definiert oder an diesem montiert ist, wobei jedes Kontaktelement eine Rolle in Oberflächenkontakt mit einer teilzylindrischen Aussparung in einem Träger umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger von mindestens einem der Kontaktelemente entweder geeignet dimensioniert oder einstellbar montiert ist, um die Abstände zwischen den Rollen und der konturierten Oberfläche einzustellen.
-
In der vorliegenden Offenbarung werden verschiedene Möglichkeiten beschrieben, wie die Position der Rollen eingestellt werden kann. In einigen Ausführungsformen sind die Träger entsprechend dimensioniert. In diesem Fall werden austauschbare Träger unterschiedlicher Größe bereitgestellt, und die Größe mindestens eines Trägers wird so gewählt, dass das gewünschte Spiel entsteht. In anderen Ausführungsformen werden Träger einheitlicher Größe verwendet, die jedoch einstellbar montiert sind, um das gewünschte Spiel zu erreichen.
-
Der erste Phaser kann zweckmäßigerweise ein Flügel-Phaser sein.
-
Damit das Ansprechverhalten des Doppel-Phasers sowohl beim Vorschieben als auch beim Verzögern der verschiedenen angetriebenen Elemente im Wesentlichen gleich ist, kann jeder der beiden Phaser mit einer entsprechenden Vorspannfeder versehen werden, um den Widerstandsmomenten des jeweiligen angetriebenen Elements entgegenzuwirken.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben, in denen:
- 1 zeigt, wie bereits beschrieben, eine Explosionszeichnung eines aus EP2044297 bekannten Doppel-Phasers,
- die 2a, 2b und 2c sind bereits beschriebene Schnitte durch den Doppel-Phaser der 1,
- 3 ist eine schematische Darstellung von zwei getrennten Nockenwellen, die über einen gemeinsamen Doppel-Phaser angetrieben werden,
- die 4 und 5 sind Explosionsdarstellungen ähnlich wie in 1 und zeigen zwei Ausführungsformen der Erfindung,
- die 6 und 7 zeigen Detailansichten von zwei weiteren Ausführungsformen der Erfindung, und
- 8 ist ein Schnitt durch ein Detail der Ausführungsform von 7.
-
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
-
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf zwei Doppel-Phaser beschrieben, die zwei verschiedene Nockenpaare antreiben. Die Doppel-Phaser werden so beschrieben, dass sie mit einer montierten Nockenwelle verbunden sind, wobei ein Ausgangselement die Innenwelle und das andere das Außenrohr der montierten Nockenwelle antreibt. Es sollte jedoch klar sein, dass alle Doppel-Phaser zum Antrieb von zwei getrennten Nockenwellen verwendet werden können, wie in 3 schematisch dargestellt ist.
-
In 3 ist ein Flügel-Phaser 300 mit einem Ausgang an eine erste Nockenwelle 310 angeschlossen. Der Flügel-Phaser 300 hat einen zweiten Ausgang, der mit einem Joch-Phaser 320 verbunden ist, der seinerseits ein Zahnrad 330 antreibt, das mit einem zweiten Zahnrad 340 kämmt, das die zweite Nockenwelle 350 antreibt. So kann bei dem in 1 gezeigten Doppel-Phaser statt des Lagerrings 118, der mit dem Außenrohr einer montierten Nockenwelle verbunden ist, ein Zahnrad eines zu einer separaten Nockenwelle führenden Räderwerks angetrieben werden.
-
4 der Zeichnungen ist eine Explosionsdarstellung eines Doppel-Phasers, der ähnlich aufgebaut ist wie der Doppel-Phaser gemäß Stand der Technik in 1. Um die Beschreibung zu vereinfachen und Wiederholungen zu vermeiden, wurden den Bauteilen, die in allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen gleiche Funktionen erfüllen, Bezugsziffern mit denselben letzten beiden signifikanten Ziffern zugeordnet.
-
Bei der Nockenwelle in 4 handelt es sich um eine montierte Nockenwelle mit einer von einem Außenrohr umgebenen Innenwelle und zwei Sätzen konzentrischer Nocken, von denen ein Satz fest mit dem Außenrohr verbunden ist und der andere Satz relativ zum Außenrohr drehbar und zur Drehung mit der Innenwelle über einen Stift verbunden ist, der durch in Umfangsrichtung verlaufende Langlöcher im Außenrohr verläuft. Wie der Doppel-Phaser in 1 weist auch der Doppel-Phaser in 4 einen Flügel-Phaser, der einen Satz von Nocken antreibt, und einen Joch-Phaser auf, der den zweiten Satz von Nocken antreibt. Der Doppelfrequenzumrichter in 4 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten dadurch, dass der Flügel-Phaser zum Antrieb des Außenrohrs der montierten Nockenwelle verwendet wird und der Joch-Phaser dessen Innenwelle antreibt.
-
Das Eingangselement 412 des Doppel-Phasers in 4 ist nicht mit einem Kettenrad sondern mit einem Zahnrad 414 verbunden, welches von der Kurbelwelle des Motors angetrieben wird. Das Eingangselement hat vier bogenförmige Hohlräume 422, die jeweils einen Flügel 420 aufnehmen, der den Hohlraum in zwei separate Arbeitskammern unterteilt. Öl, das den Arbeitskammern über ein Schieberventil 450 zugeführt wird, kann die Flügel 420 tangential von einem Ende des Hohlraums zum anderen bewegen.
-
Die Flügel 420 sind mit zwei Endplatten 424 verbunden, von denen in der Zeichnung nur eine zu sehen ist. Die beiden Endplatten 424 dichten die Arbeitskammern der bogenförmigen Hohlräume 422 ab und dienen als Ausgangselement des ersten Flügel-Phasers. Das Abtriebselement des Flügel-Phasers dient dazu, das Außenrohr der montierten Nockenwelle anzutreiben, um die Phase des ersten Satzes von Nocken relativ zur Kurbelwelle zu verändern.
-
Die Innenwelle der montierten Nockenwelle ist mit einem rohrförmigen Element 444 verschraubt, auf dem ein Kurbelarm 460 verkeilt ist. Die Drehung des Kurbelarms 460 um die Achse der Nockenwelle dient dazu, die Phase der inneren Welle der Nockenwelle relativ zur Motorkurbelwelle zu ändern.
-
Der Kurbelarm 460 ist über einen Drehzapfen 435 und eine in einer Bohrung 436 drehbar gelagerte Exzenterhülse 434 mit dem Joch 428 verbunden. Die diametral gegenüberliegende Seite des Jochs 428 ist über einen Drehzapfen 442 mit dem Eingangselement 412 des Doppel-Phasers verbunden. Die Drehung des Jochs 428 um den Stift 442 bewirkt, dass das Loch 436 um die Achse des Stifts 442 schwenkt und dadurch den Kurbelarm 460 in Drehung versetzt, um die Phase der inneren Welle der Nockenwelle relativ zum Eingangselement 412 zu ändern, wobei letzteres direkt von der Motorkurbelwelle angetrieben wird. Die Exzenterhülse 434 ist erforderlich, weil sich der Abstand des Stifts 435 von der Drehachse des Jochs ändert, wenn das Joch um den Stift 442 schwenkt.
-
Die Winkelstellung des Jochs 428 relativ zum Eingangselement 412 wird durch die Winkelstellung der Endplatte 424 bestimmt, die als Ausgangselement des Flügel-Phasers dient. Zu diesem Zweck weist die Endplatte 424 zwei Kontaktelemente auf, die allgemein als 440 bezeichnet werden und in Kontakt mit der konturierten Außenfläche 428a des Jochs 428 stehen. In 4 ist eines der Kontaktelemente 440 im montierten Zustand und das andere in der Explosionsansicht dargestellt. Die Kontaktelemente 440 bestehen jeweils aus einer Rolle 447, die in einer teilzylindrischen Aussparung 451 in einem Träger 441 gelagert ist und mit dieser in Oberflächenkontakt steht. Der Träger 441 ist an der Endplatte 424 mit einer Schraube 443 befestigt, die durch eine Unterlegscheibe 445 und einen länglichen Schlitz im Träger 441 hindurchgeht. Stifte 453, die in die Endplatte 424 und in längliche Schlitze 455 im Träger 441 eingreifen, sorgen für eine korrekte Ausrichtung des Trägers 441 und ermöglichen gleichzeitig die Einstellung des Abstands der Rolle 447 von der konturierten Oberfläche 428a.
-
Die gelagerten Rollen 447, die in 4 in die konturierte Oberfläche 428a eingreifen, bieten einen geringeren Reibungswiderstand als die Stifte 140 des Doppel-Phasers aus 1, und darüber hinaus gewährleistet die Einstellbarkeit ihrer Position auf der Endplatte 424, dass der Abstand zwischen den Rollen 447 und der konturierten Oberfläche 428a genau eingestellt werden kann.
-
Der in 5 dargestellte Doppel-Phaser zeigt, dass die Teile, mit denen die Kontaktelemente und die konturierte Oberfläche verbunden sind, austauschbar sind. So werden in 5 die Kontaktelemente 540 vom Joch 528 getragen, und die konturierte Fläche ist eine nach innen gerichtete Nockenfläche 570a der an der Endplatte 524 des Flügel-Phasers befestigten Scheibe 570. Der Aufbau des Flügel-Phasers ist in 5 nicht dargestellt, entspricht aber dem der 4.
-
In diesem Fall ist die Rolle 547 in einer teilzylindrischen Aussparung 551 eines Trägers 541, der in einem Kanal 555 im Joch 528 gleitet, gelagert und hat Oberflächenkontakt damit. Das Spiel wird bei dieser Ausführungsform durch eine geeignete Dimensionierung der Träger 541 eingestellt.
-
5 zeigt auch, dass der Doppel-Phaser zwei Vorspannfedern 582 und 584 umfassen kann, um den Widerstandsmomenten der jeweiligen angetriebenen Elemente entgegenzuwirken. Die Feder 582 wirkt über eine Platte 586 auf den Kurbelarm 560 und damit auf das Abtriebselement des Joch-Phasers. Im Gegensatz dazu wirkt die Feder 584 auf eine Platte 590, die mit Zeitsteuerungsmerkmalen versehen und am Abtriebselement des Flügel-Phasers befestigt ist.
-
6 zeigt, wie eine Unterlegscheibe 661 zwischen einem oder beiden Trägern 641 und dem Boden des Kanals 655 angeordnet werden kann, um die Abstände einzustellen.
-
Die 5, 6 und 7 zeigen auch eine alternative Verbindung zwischen dem Joch 628 und dem Kurbelarm 660, bei der anstelle einer Exzenterhülse der Drehzapfen 635 auf einem radialen Vorsprung des Kurbelarms 660 verschiebbar ist.
-
Die 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein hydraulischer Spielausgleich 893 anstelle einer Ausgleichsscheibe verwendet wird, wobei die Ausführungsform ansonsten mit der von 6 identisch ist. Hydraulische Spielausgleichseinrichtungen sind natürlich allgemein bekannt und beruhen auf Öldruck zur Einstellung eines minimalen Spiels. 8 zeigt, dass zu diesem Zweck eine Ölbohrung im Joch 828 vorgesehen werden kann, aber Spieleinsteller eignen sich besser für Ausführungsformen, bei denen sich die konturierte Oberfläche am Umfang des Jochs befindet.
-
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
-
- EP 0733154 [0003]
- EP 1030035 [0003]
- EP 2044297 [0004, 0006, 0022]
- GB 2421557 [0007]
