DE19541769A1

DE19541769A1 - Arretierung für einen Kolben einer Nockenwellenverstellung

Info

Publication number: DE19541769A1
Application number: DE1995141769
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Kramer
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1995-11-09
Filing date: 1995-11-09
Publication date: 1997-05-15
Also published as: DE19680952C1; WO1997017529A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine gaswechselventilgesteuerte Brennkraftmaschine, mit zumindest einer im Zylinderkopf gelagerten Nockenwelle und einer zur relati ven Verdrehung der Nockenwelle zu einem Antriebsrad dienenden Einrichtung, die einen zwischen zwei Endstellungen verschiebbaren Verstellkolben aufweist, welcher über eine erste Verzahnung mit der Nockenwelle und über eine zweite Verzahnung mit dem Antriebsrad formschlüssig verbunden ist, wobei der Verstellkolben in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet ist und in diesem zwei getrennte Druckräume begrenzt, die wechselweise von einem Druck mittelzufluß oder mit einem Druckölrückfluß schaltbar sind, und der Stellkolben bei einem Stillstand der Brennkraftmaschine in eine Grundstellung verlagert wird und dabei an einem Endanschlag anliegt.

Hintergrund der Erfindung

Aus der DE-A 40 07 981 geht ein gattungsbildender Stand der Technik hervor. Bei der bekannten Einrichtung entweicht während des Stillstands der Brenn kraftmaschine das Druckmittel - das Schmieröl der Druckumlaufschmierung - aus den Druckräumen drucklos über die Verbindungsleitung in das Schmier ölreservoir. Durch die einseitige Anordnung der Druckfeder wird der Stell kolben bei einer Verlagerung in die Grundstellung, d. h. bis zur Anlage an einen Deckel unterstützt. Damit besteht keine hydraulische Vorspannung des Verstellkolbens. Bei einem Start der Brennkraftmaschine bis zum Aufbau eines Schmieröldrucks und einer ausreichenden Füllung der Druckräume besitzt der Stellkolben einen gewissen Freiheitsgrad. Bedingt durch die Wechseldrehmo mente und die damit verbundene Drehungleichförmigkeit der Nockenwelle, wird der Stellkolben hochfrequent angeregt und führt dabei eine oszillierende Bewegung aus, bei der dieser verbunden mit einer erheblichen Geräuschent wickelung auf den Endanschlag des Gehäuses trifft. Diese Geräuschemission findet für den heutigen Entwicklungsstand von Brennkraftmaschinen, die für Fahrzeuge bestimmt sind, keine Akzeptanz. Die vom Stellkolben ausgelösten Klappergeräusche bewirken weiterhin eine Zunahme des Verschleißes, wodurch sich eine Funktionsbeeinträchtigung der Verstelleinrichtung einstellen kann.

Weiterhin werden bei Brennkraftmaschinen mit separaten Einlaß- und Aus laßnockenwellen, bei denen die Auslaßnockenwelle mit einer Verstelleinrich tung versehen ist, die Auslaßnockenwelle bedingt durch das Nockenwellenreib moment in die Anschlagposition "große Ventilüberschneidung" verdreht. Diese Position ist genau die der Startposition gegenüberliegende, was zu einer nach teiligen Beeinträchtigung des Startverhaltens der Brennkraftmaschine führt, da ein Start erst erfolgen kann, wenn in der Startphase die Druckräume der Ver stelleinheit mit Druckmittel gefüllt sind und somit die Nockenwelle eine den Start der Brennkraftmaschine begünstigende Position "kleine Ventilüberschnei dung" einnehmen kann.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die das Startverhalten der Brennkraftmaschine begünstigt und eine Geräuschentwicklung des Stellkolbens in der Startphase der Brennkraftmaschine unter Anwendung einfacher konstruktiver Mittel wirksam unterbindet.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß während einer Start phase der Brennkraftmaschine ein Halteglied den Stellkolben gegenüber dem Gehäuse öldruckabhängig arretiert, wobei die Arretierung in dem Druckraum angeordnet ist, der zur Verlagerung des Stellkolbens von einer Grundstellung (Startstellung) beaufschlagbar ist. Diese erfindungsgemäße Arretierung bewirkt, daß der Stellkolben in der Startphase des Motors unabhängig von auftretenden Wechseldrehmomenten der Nockenwelle in einer Endlage an dem Gehäuse der Einrichtung anliegt und damit keinerlei nachteilige Geräuschentwicklung verur sacht bzw. nicht in eine für den Start der Brennkraftmaschine ungünstige Posi tion bewegt wird. Die Arretierung besitzt eine öldruckabhängige Wirkungs weise, so daß der Stellkolben in der Startphase, d. h. bei noch nicht ausreichen dem Öldruck zunächst lagefixiert ist. Sobald sich im Druckraum, in dem die Stellkolbenarretierung angeordnet ist, ein Druck aufgebaut hat, der eine Ver schiebung des Haltegliedes ermöglicht, erfolgt eine Freigabe der Arretierung des Stellkolbens, wobei in dieser Phase der Stellkolben bereits ausreichend hydrau lisch vorgespannt, keinerlei nachteilige Geräuschemission verursacht. Die erfindungsgemäße Arretierung ist durch Verwendung einfacher konstruktiver Mittel kostengünstig herstellbar und ist dabei so kompakt gestaltet, daß diese in den vorhandenen Bauraum der Nockenwellenverstell-Einrichtung integrierbar ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung, bei der die Arretierung des Kolbens durch eine öldruckabhängige Wirkungsweise gegenüber einer direkten, schaltbaren formschlüssigen Verbindung, zwischen Bauteilen des Antriebsgliedes und des Abtriebsgliedes während der drucklosen Startphase der Brennkraftmaschine erfolgt, besteht in dem realisierbaren größeren Relativweg, den der Stift des Haltegliedes über den gesamten Verstellbereich überstreicht. Damit wird zum einen die Kraft auf den Stift bei gleichem Wechseldrehmoment bzw. Reibmoment geringer und zum anderen die Plazierung der Arretierposition bei gleichen Fertigungstoleranzen genauer.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8, deren Vorteile nachstehend erläutert werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht als Halteglied einen vom Öldruck beaufschlagbaren gegen eine Druckfeder verschiebbaren Stift vor, der in einer Bohrung des Stellkolbens angeordnet ist, wobei der Stift zur Erreichung einer Arretierung in eine Umlaufnut oder einen Einstich bzw. Bohrung des Gehäuses verrastet. Dieses Halteglied umfaßt wenig Bauteile und ist kompakt bauend einfach in vorhandene Bauteile einer Einrichtung zur Nockenwellenver stellung einfügbar. Der Stift nimmt bei Stillstand der Brennkraftmaschine, bei dem der Stellkolben keine hydraulische Vorspannung aufweist, eine Lage ein, die mit der Umlaufnut bzw. dem Einstich korrespondiert und dabei wirkt eine Federkraft unterstützend zur Verlagerung des Stiftes in eine Grundstellung. In diesem Zustand erfolgt eine selbsttätige Verschiebung des Stiftes in die Um laufnut, da dem Stift kein hydraulischer Druck entgegensteht. Nach einem Start der Brennkraftmaschine baut sich im Druckraum ein Druck auf, der eine auf den Stift wirkende Kraft auslöst, die größer ist als eine Federkraft, die dem Stift durch die zugeordnete Druckfeder entgegensteht. Dadurch kommt es zu einer Radialverschiebung des Stiftes in den Stellkolben und damit zu einem Lösen der Arretierung.

Alternativ sieht die Erfindung zur Bildung eines Haltegliedes einen im Gehäuse, gegen die Kraft einer Druckfeder vom Öldruck verschiebbaren Stift vor, der zur Arretierung in eine im Kolben vorgesehene Umlaufnut, Einstich oder Bohrung selbsttätig verrastet. Dabei stellt sich eine mit der zuvor beschriebenen Arretie rung vergleichbare Wirkungsweise ein.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Stift an der von der Um laufnut abgewandten Seite mit einem Kolben versehen, der an einer Bohrungs wandung der Bohrung bzw. einer Sacklochbohrung abgedichtet geführt ist. Die Anordnung sieht dabei vor, daß eine Querschnittfläche des Stiftes gemeinsam mit einer Kolbenringfläche des Kolbens vom Öldruck beaufschlagbar ist. Dieser Aufbau begünstigt die Druckmittelbeaufschlagung des Haltegliedes sowie die Verwendung einer größer dimensionierten Druckfeder, die sich am Kolben an der vom Stift abgewandten Seite abstützt.

In einfacher Weise ermöglicht der Erfindungsgedanke ein auf einen vorbestimm ten Öldruck festlegbares Lösen der Arretierung. Dazu ist eine Abstimmung zwischen den Flächen, - der Querschnittsfläche des Stiftes und der Kolbenring fläche - einerseits und der Federkraft der den Stift beaufschlagenden Druckfeder andererseits vorgesehen. Als Referenzöldruck ist dabei ein sich bei erwärmter Brennkraftmaschine einstellender Öldruck vorgesehen, der im Vergleich zum erkalteten Öl reduziert ist. Durch diese Maßnahme sind die Vorteile der erfin dungsgemäßen Einrichtung auch für einen Start der Brennkraftmaschine bei erwärmten Schmieröl erzielbar.

Eine vorteilhafte Auslegung sieht vor, daß sich das Halteglied löst, bevor eine Axialverschiebung des Stellkolbens erfolgt. Damit ist sichergestellt, daß es nicht zu einer kraftbeaufschlagten Anlage des Stiftes an einer Seitenwandung der Umlaufnut kommt, wodurch die Stellkraft aufgrund zunehmender Reibungs kräfte ansteigt und die Gefahr besteht, daß der Stift in der Umlaufnut verharrt und die Verstelleinrichtung außer Kraft gesetzt ist.

Durch die vorteilhafte Abstimmung zwischen den vom Öldruck beaufschlagten Flächen des Stiftes, der Kolbenringfläche einerseits sowie der Federkraft der Druckfeder andererseits, kann durch eine entsprechend großdimensionierte druckbeaufschlagte Fläche im Verhältnis zur Federkraft der Druckfeder erreicht werden, daß sich der Stift erst bei Erreichen einer Endlage des Stellkolbens radial in die Umlaufnut verlagert. Mit dieser Abstimmung kann eine Arretierung des Stellkolbens sichergestellt werden, der erst bei einem Unterschreiten eines Mindestöldrucks im Druckraum erfolgt. Dadurch wird eine nachteilige, die Axialverschiebung des Stellkolbens beeinflussende kraftbeaufschlagte Anlage des Stiftes an der Innenwandung des Gehäuses bei einem abnehmenden Öldruck wirksam verhindert und sichergestellt, daß der Stift sich erst nach Erreichen der Endposition des Stellkolbens radial in die Umlaufnut verlagert. Diese Abstim mung gewährleistet, daß die erfindungsgemäße Arretierung keinerlei Einfluß auf die Verstellgeschwindigkeit und das Stellvermögen des Stellkolbens nimmt und gleichzeitig ein nachteiliger, die Funktion der Einrichtung beeinflussender Ver schleiß an der Stirnseite des Stiftes verhindert wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht eine ballig geformte Stirnfläche des Stiftes vor, die alternativ oder ergänzend mit einer reibungs- und verschleißarmen Beschichtung versehen ist. Diese Ausgestaltung begünstigt das Verrasten in die Umlaufnut und erhöht die Standzeit der Arretierung bzw. des Haltegliedes und damit der Nockenwellenverstell-Einrichtung.

Zur Verbesserung der Arretierung, mit der eine Axialbeweglichkeit des Stell kolbens in der Endlage unterbunden werden kann, ist ein konisch gestaltetes Ende des Stiftes vorgesehen, das formschlüssig in eine Umlaufnut verrastet, die ein an die Formgebung des Stiftes angepaßtes Querschnittsprofil aufweist. Durch diese geometrische Abstimmung des Stiftes mit der Umlaufnut ergibt sich eine exakte Lagepositionierung des Stellkolbens, die auch bei einem auftretenden Verschleiß der Bauteile erhalten bleibt, die die Arretierung bilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachstehend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen in drei Figuren dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Verstelleinrich tung;

Fig. 2 das Detail "A" in einem vergrößerten Maßstab gemäß Fig. 1;

Fig. 3 in einem vergrößerten Maßstab das Detail "B" aus der Fig. 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung 1 mit einem an sich bekannten Aufbau, durch die die Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine variiert werden können. Die Einrichtung 1 ist in einer axialen Verlängerung stirnseitig an einer Nockenwelle 2 angeordnet und umfaßt ein Antriebsrad 3, das über einen Zugmitteltrieb, der in Fig. 1 nicht abgebildet ist, einen Antrieb von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine erfährt. Das Antriebsrad 3 ist einstückig mit einem radial nach innen gerichteten Ringabschnitt 4 versehen, der innenseitig über eine Verzahnung 5, 6 mit einer Schiebehülse 7 in Eingriff steht. Die Schiebehülse 7 ist wiederum mit einer Verzahnung 8, 9 formschlüssig mit einer Zahnhülse 10 verbunden, die drehfixiert stirnseitig an der Nockenwelle 2 angeordnet ist.

Die Schiebehülse 7 weist stirnseitig auf der von der Nockenwelle 2 abgewand ten Seite einen Stellkolben 11 auf, der außenseitig dichtend an einem Gehäuse 12 anliegt. Der Stellkolben 11 begrenzt dabei jeweils einen Druckraum 13, 14, die wechselweise zur Erreichung einer Axialverschiebung des Stellkolbens 11 mit einem Druckmittel beaufschlagbar sind. Dabei bewirkt eine Axialverschie bung des Stellkolbens 11 aufgrund der jeweils als Schrägverzahnung ausgeführ ten, in Eingriff stehenden Verzahnungen 5, 6 bzw. 8, 9 eine Relativverdrehung zwischen dem Antriebsrad 3 und der Nockenwelle 2. Zur Verlagerung des Stellkolbens 11 in die in Fig. 1 dargestellte Endlage, die sich im Stillstand der Brennkraftmaschine einstellt, das heißt im drucklosen Zustand der Druckräume 13, 14, kann eine Druckfeder 15 vorgesehen werden, welche im Druckraum 14 zwischen dem Stellkolben 11 und dem Ringabschnitt 4 eingesetzt ist und den Stellkolben 11 an einem Endanschlag 17 verlagert.

Zur Schaffung einer Arretierung des Stellkolbens 11 während einer Startphase der Brennkraftmaschine, in der sich in den Druckräumen 13, 14 noch kein ausreichender Öldruck aufbauen kann, der eine hydraulische Vorspannung des Stellkolbens 11 bewirkt, ist zwischen dem Stellkolben 11 und dem Gehäuse 12 ein Halteglied 16a bzw. 16b vorgesehen. Diese alternativ einzusetzenden Halteglieder 16a, 16b bewirken, daß in der Startphase der Brennkraftmaschine der Stellkolben 11 aufgrund der von der Nockenwelle 2 in die Einrichtung 1 eingebrachten Wechseldrehmomente und Reibmomente der Stellkolben 11 nicht eine oszillierende Axialbewegung ausübt, und unkontrolliert am End anschlag 17 des Gehäuses 12 anschlägt und dabei eine nachteilig hohe Ge räuschentwicklung verursacht bzw. sich ein nachteiliges Verlagern des Stell kolbens 11 in Richtung der Nockenwelle 2 einstellt.

In Fig. 2 ist in einer vergrößerten Darstellung das Halteglied 16a abgebildet, das eine Arretierung des Stellkolbens 11 gegenüber dem Gehäuse 12 sicherstellt und im Bereich des Druckraums 13 angeordnet ist. Das Halteglied 16a umfaßt einen Stift 18a, der einstückig mit einem Kolben 19a verbunden ist, der außen seitig einen Dichtring 21 aufweist, der in einer im Stellkolben 11 eingebrachten Bohrung 20 längsverschiebbar ist. Zur Erreichung einer radialen Verlagerung des Stiftes 18a in eine im Gehäuse 12 eingebrachte Umlaufnut 22 bei einer Unter schreitung eines vorgegebenen Drucks im Druckraum 13 dient eine Druckfeder 23a, welche zwischen einem Sicherungsring 24 und dem Kolben 19a eingesetzt ist. Ein weiterer im Kolben 11 eingebrachter Sicherungsring 25a bewirkt eine Stellwegbegrenzung des Kolbens 19a.

Zum Lösen des Haltegliedes 16a ist eine Druckbeaufschlagung des Druckraums 13 erforderlich, der gleichfalls eine Kolbenringfläche 28 und eine Stirnfläche des Stiftes 18a druckbeaufschlagt und dabei eine Kraftkomponente auslöst, die größer ist als die entsprechende Kraft der Druckfeder 23a. Damit ergibt sich ein radiales Verlagern des Stiftes 18a aus der Umlaufnut 22. Dieser Lösevergang stellt sich idealerweise bereits bei einem Druck ein, der kleiner ist als ein erforderlicher Druck zum Verschieben des Stellkolbens 11 vom Endanschlag 17 in Richtung der Nockenwelle 2.

Die Fig. 3 zeigt das Halteglied 16b, bei dem der Stift 18b in Verbindung mit dem Kolben 19b im Gehäuse 12 angeordnet ist und der Stift 18b zur Erreichung der Arretierung des Stellkolbens 11 in eine Umlaufnut 26 des Stellkolbens 11 verrastet. Der Kolben 19b ist dabei in einer Sacklochbohrung 27 geführt und mittels eines Dichtrings 29 abgedichtet und erfährt einen Endanschlag an einen Sicherungsring 25b, der im Gehäuse 12 eingesetzt ist.

Bezugszeichenliste

1 Einrichtung
2 Nockenwelle
3 Antriebsrad
4 Ringabschnitt
5 Verzahnung
6 Verzahnung
7 Schiebehülse
8 Verzahnung
9 Verzahnung
10 Zahnhülse
11 Stellkolben
12 Gehäuse
13 Druckraum
14 Druckraum
15 Druckfeder
16a Halteglied
16b Halteglied
17 Endanschlag
18a Stift
18b Stift
19a Kolben
19b Kolben
20 Bohrung
21 Dichtring
22 Umlaufnut
23a Druckfeder
23b Druckfeder
24 Sicherungsring
25a Sicherungsring
25b Sicherungsring
26 Umlaufnut
27 Sacklochbohrung
28 Kolbenringfläche
29 Dichtring

Claims

1. Einrichtung für eine gaswechselventilgesteuerte Brennkraftmaschine mit zumindest einer im Zylinderkopf gelagerten Nockenwelle (2), die ein relatives Verdrehen der Nockenwelle (2) zu einem Antriebsrad (3) ermöglicht, wobei die Einrichtung (1) einen zwischen zwei Endstellungen verschiebbaren Stellkolben (11) aufweist, welcher über eine erste Verzahnung (5, 6) mit dem Antriebsrad (3) und über eine zweite Verzahnung (8, 9) mit der Nockenwelle (2) verbunden ist, wobei die Verzahnungen (5, 6; 8, 9) jeweils als Schrägverzahnungen ausge bildet sind, und der Stellkolben (11) in einem zylindrischen Gehäuse (12) an geordnet ist und in diesem in zwei getrennte Druckräume (13, 14) begrenzt, die wechselweise mit einem Druckmittelzufluß und mit einem Druckmittelrückfluß schaltbar sind und der Stellkolben (11) bei einem Stillstand der Brennkraftma schine in eine Grundstellung verlagert wird und dabei an einem Endanschlag (17) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Startphase der Brenn kraftmaschine ein Halteglied (16a, 16b) den Stellkolben (11) gegenüber dem Gehäuse (12) druckmittelabhängig arretiert, wobei das Halteglied (16a, 16b) in dem Druckraum (13) angeordnet ist, der zur Verlagerung des Stellkolbens (11) aus der Grundstellung in eine gewünschte Betriebsstellung druckbeaufschlagbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halteglied (16a) ein vom Öldruck gegen eine Druckfeder (23a) verschiebbarer Stift (18a) angeordnet ist, der zur Arretierung in eine Umlaufnut (22), einen Einstich oder eine Bohrung des Gehäuses (12) verrastet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (12) in einer Sacklochbohrung (27) ein vom Öldruck gegen eine Druckfeder (23b) verschiebbarer Stift (18b) angeordnet ist, der zur Arretierung in eine Umlaufnut (26) oder einen Einstich des Stellkolbens (11) verrastet.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (18a, 18b) an dem von der Umlaufnut (22, 26) abgewandten Ende mit einem Kolben (19a, 19b) versehen ist,

- dessen Kolbenringfläche (28) gemeinsam mit einer Querschnittsfläche des Stiftes (18a, 18b) vom Öldruck beaufschlagbar ist;
- der an einer Bohrungswandung der Bohrung (20) bzw. einer Sacklochboh rung (27) abgedichtet geführt ist;
- an dem sich eine Druckfeder (23a, 23b) auf der vom Stift (18a, 18b) abge wandten Seite abstützt.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Federkraft der Druckfeder (23a, 23b) in Verbindung mit der Kolbenringfläche (28) und der Querschnittsfläche des Stiftes (18a, 18b) auf einen sich bei erwärmter Brennkraftmaschine einstellenden Öldruck, mit dem der Druckraum (13) in der Startphase der Brennkraftmaschine beaufschlagt ist abgestimmt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (18a, 18b) sich erst bei Anlage des Stellkolbens (11) am Endanschlag (17) in eine Umlaufnut (22, 26) verlagert.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirnfläche des Stiftes (18a, 18b) ballig geformt und/oder mit einer reibungs- und ver schleißarmen Beschichtung versehen ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein vorzugsweise konisch gestaltetes freies Ende des Stiftes (18a, 18b), das formschlüssig in eine Umlaufnut (22, 26) verrastet, die ein an das Stiftende angepaßtes Querschnitts profil aufweist.