DE19756016A1 - Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Welle zu einem Antriebsrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Welle zu einem Antriebsrad, insbesondere der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, nach der Gattung des Hauptanspruches.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der US-A 4,858,572 bekannt. Bei dieser gattungsgemäßen Vorrichtung ist ein Innenteil drehfest mit dem Ende der Nockenwelle verbunden, der an seiner Außenseite mehrere über den Umfang verteilte radiale Schlitze aufweist, in denen Flügelelemente radial verschieblich geführt sind. Dieses Innenteil wird von einem Zellenrad umgeben, das mehrere hydraulisch beaufschlagbare Zellen aufweist, die durch die Flügel in zwei gegeneinander auf diese einwirkende Druckräume unterteilt werden. Durch Druckbeaufschlagung dieser Druckräume kann in Abhängigkeit von der Druckdifferenz das Zellenrad relativ zum Innenteil und damit zur Nockenwelle verdreht werden. Darüber hinaus ist im Zellenrad in zwei radialen Bohrungen in definierten Winkellagen jeweils ein hydraulisch beaufschlagbarer Kolben geführt, der in der zugeordneten Endlage der Vorrichtung in eine radiale Vertiefung des Innenteils eingeschoben werden kann. Diese Kolben werden durch Druckfederelemente in Richtung Innenteil beaufschlagt und sind in Gegenrichtung durch hydraulische Beaufschlagung der Bohrungen im Innenring verschiebbar. Durch diese federbeaufschlagten Kolben soll die Vorrichtung in einer ihrer beiden Endlagen verriegelt werden, so lange der Druck zur Beaufschlagung der Druckräume ein definiertes Niveau nicht erreicht. Erst bei Erreichen eines bestimmten Druckniveaus werden die Kolben gegen die Wirkung der Druckfedern zurückgeschoben und ermöglichen ein Verdrehen des Innenteils relativ zum Zellenrad. Mit einer derartigen Vorrichtung sollen unter anderem Klappergeräusche beim Anlauf der Brennkraftmaschine vermieden werden, die durch wechselnde Momentenbelastungen beim Anlauf und Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten.

Aus der DE 39 37 644 A1 ist weiterhin eine Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle zu ihrem Antriebsrad bekannt, bei der an einem mit der Nockenwelle drehfest verbindbaren Innenteil mehrere radial verlaufende Stege fest angebracht sind, die in Zellen eines umgebenden Zellenrades drehbeweglich angeordnet sind und diese Zellen in jeweils zwei Druckräume unterteilen. Mittel zur Festlegung der Drehlage der Welle relativ zum Zellenrad sind hierbei jedoch nicht vorgesehen.

Derartige Vorrichtungen zur relativen Drehwinkeländerung einer Nockenwelle zu einem Antriebsrad haben den Nachteil, daß die Drehwinkeländerung aufgrund der Wechselwirkung mit den während der ständigen Drehung der Nockenwelle aus dem Ventiltrieb verursachten Momentenschwankungen nicht gleich mäßig ist, sondern während des Verstellvorganges ständige Lageabweichungen zeigt. Derartige Vorrichtungen haben einen mehr oder weniger stark ungleichförmigen Verlauf der Drehwinkeländerung.

Es ist demgegenüber die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu einem Antriebsrad so zu verbessern, daß der Verstellvorgang vergleichmäßigt wird und der Einfluß von Wechselmomenten aus dem Antrieb der Nockenwelle während des Verstellvorganges minimiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, in dem in die Vorrichtung Dämpfungsmittel integriert sind, die die Drehwinkeländerung der Vorrichtung hydraulisch dämpfen. Durch eine hydraulisch wirkende Dämpfung nach Art einer Drossel bzw. Blende können Überlagerungen der Drehbewegung aufgrund der auftretenden Wechselmomente in stärkerem Maße gedämpft werden als die erwünschte Drehwinkeländerung durch die Druckbeaufschlagung der Druckräume. Die Integration der Dämpfungsmittel direkt in die im wesentlichen durch das Innenteil und das Zellenrad gebildete Vorrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, daß lange Leitungswege zwischen Dämpfungsmittel und den wirksamen Druckräumen vermieden werden, die wiederum die Dämpfungseigenschaften negativ beeinflussen und zusätzlichen Bauaufwand bedeuten würden.

Diese hydraulisch wirkenden Dämpfungsmittel können auf vorteilhafte Weise als Dämpfungsdrossel zwischen zwei hydraulisch beaufschlagten Druckräumen ausgebildet werden.

Die Dämpfungswirkung ist besonders gut, wenn beide über die Dämpfungsdrossel verbundenen Druckräume ständig mit Systemdruck beaufschlagt sind, wobei sich das Volumen eines Druckraumes bei einer Drehwinkeländerung relativ zum anderen verringert bzw. vergrößert, wobei dann das eingeschlossene Druckmittel über die Dämpfungsdrossel aus dem einen in den anderen Druckraum verdrängt wird.

Die Dämpfungsdrossel kann auf besonders vorteilhafte und fertigungstechnisch günstige Weise als Leckagekanal mit definierter Größe zwischen den beiden Druckräumen ausgebildet sein.

Die Fertigung einer derartigen Vorrichtung und die Ausbildung einer Dämpfungsdrossel sind fertigungstechnisch besonders einfach und kostengünstig, wenn die beiden Druckräume benachbart sind und die Dämpfungsdrossel durch einen Spalt definierter Größe zwischen einem Steg bzw. einem Flügel und der benachbarten Gegenfläche des Innenteils bzw. des Zellenrades gebildet ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert.

Letztere zeigt in

Fig. 1 eine Ansicht der Vorrichtung vom Wellenende her mit schematisch dargestellter Druckversorgung und in

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II nach Fig. 1 ebenfalls mit schematisch dargestellter Druckversorgung.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 die Nockenwelle einer an sich bekannten und nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine bezeichnet. Diese Nockenwelle hat an ihrem einen Ende einen von einer umlaufenden Schulter 2 ausgehenden konischen Abschnitt 3, der in einen Gewindezapfen 4 übergeht. Vom freien Ende dieses Gewindezapfens 4 ausgehend sind in der Nockenwelle zwei beabstandete axiale, endseitig verschlossene Bohrungen 5 und 6 angeordnet, die bis in den Bereich eines Nockenwellenlagers 7 reichen. Im Bereich dieses Nockenwellenlagers 7 ist die Nockenwelle 1 an ihrem Außenumfang mit zwei beabstandeten Ringnuten 8 und 9 versehen, die über eine radiale Bohrung 10 bzw. 11 mit einer der axialen Bohrungen 5 bzw. 6 verbunden sind. Im Bereich des konischen Abschnittes 3 der Nockenwelle 1 sind an dessen Außenumfang ebenfalls zwei umlaufende Ringnuten 12 bzw. 13 ausgebildet, die ebenfalls über nur schematisch dargestellte radiale Bohrungen mit jeweils einer der axialen Bohrungen 5 bzw. 6 verbunden sind. Die Ringnut 12 ist dabei über die axiale Bohrung 5 mit der Ringnut 8 im Bereich des Nockenwellenlagers verbunden, während die Ringnut 13 über die axiale Bohrung 6 mit der Ringnut 9 im Bereich des Nockenwellenlagers verbunden ist.

Auf den konischen Abschnitt 3 ist vom freien Ende der Nockenwelle her ein Innenteil 14 aufgebracht, das durch eine mit dem Gewindezapfen 4 verschraubte Mutter 15 gesichert ist. Durch diese Mutter 15 wird gleichzeitig ein Kraftschluß zwischen dem Innenteil und dem konischen Abschnitt 3 der Nockenwelle erzeugt, so daß eine drehfeste Verbindung entsteht. Vom Außenumfang des Innenteils 14 gehen in diesem Ausführungsbeispiel drei um jeweils 120° versetzt angeordnete radiale Stege 16a bis 16c aus. Die Stege 16a bis 16c liegen mit ihrem Außenumfang dichtend an der Innenseite 17 eines topfförmigen Zellenrades 18 an. Dieses Zellenrad 18 hat einen Boden 19, von dem ein umlaufender Rand 20 ausgeht, der die Stege 16a bis 16d umgreift. Dieser umlaufende Rand 20 ist an seiner Außenseite mit einer Verzahnung 21 versehen, die mit einem nicht dargestellten Zahnriemen zusammenwirkt, über den der Wellenantrieb erfolgt. Es ist jedoch abweichend davon auch möglich, den Antrieb des Zellenrades beispielsweise über einen Kettentrieb oder einen Zahnrädertrieb vorzunehmen.

Von der Innenseite des Zellenrades 18 bzw. des umlaufenden Randes 20 gehen drei über den Umfang verteilte und um jeweils 120° versetzte Stege 22a bis 22c aus, die am Außenumfang 23 des Innenteils dichtend anliegen und durch die drei Zellen des Zellenrades ausgebildet werden. Durch die Stege 16a bis 16d des Innenteils und die Stege 22a bis 22c werden in jeder Zelle jeweils zwei Druckräume 24a bis 24c und 25a bis 25c gebildet und in Umfangsrichtung begrenzt. Die dem Wellenende abgewandten Stirnseiten der Stege 16a bis 16d und 22a bis 22d sind flächig bearbeitet und bilden eine gemeinsame Stirnfläche 26 aus. Diese Stirnfläche ist zurückgesetzt und wird von einem umlaufenden Abschnitt des Randes überragt. An dieser Stirnfläche 26 liegt eine als Ringkolben wirkende Scheibe 28 an, die bis an den Innenumfang 29 des umlaufenden Abschnittes 27 reicht. Diese als Ringkolben wirkende Scheibe 28 reicht mit ihrer Innenseite bis an den konischen Abschnitt 3 der Nockenwelle und ist dort mit einer umlaufenden Dichtung 30 gegenüber der Nockenwelle und dem Innenteil ab gedichtet. Die Scheibe 28 wird auf der dem Wellenende abgewandten Seite von einem mit dem Zellenrad verbundenen umlaufenden Deckelelement 31 in axialer Richtung gesichert. Dieses ringförmige Deckelelement ist in diesem Ausführungsbeispiel durch mehrere über den Umfang verteilte Schrauben im Bereich des ringförmigen Fortsatzes 26 mit dem Zellenrad verschraubt und liegt mit seinem inneren Umfang am konischen Abschnitt 3 der Nockenwelle 1 an. Durch eine umlaufende Dichtung 32 am Außenumfang der Scheibe 28 ist diese gegenüber dem ringförmigen Fortsatz 26 und dem Deckelelement 31 abgedichtet. Im Deckelelement ist an der dem Ringkolben 28 zugewandten Seite eine Vertiefung 33 mit geringerem Außendurchmesser ausgebildet. Diese bildet in Verbindung mit dem Ringkolben 28 einen Druckraum 34 aus.

Die Druckräume 24a und 24b sind über jeweils eine radial im Innenteil 14 verlaufende Bohrung 35a bzw. 35b mit der Ringnut 12 verbunden. Die Druckräume 25a und 25b sind in analoger Weise über jeweils eine radiale Bohrung 36a bzw. 36b mit der Ringnut 13 verbunden.

Die Ringnuten 8 bzw. 9 im Nockenwellenlager 7 stehen über jeweils eine nur schematisch dargestellte Druckmittelleitung 37 bzw. 38 mit einem in diesem Ausführungsbeispiel als 4/3-Wegeventil ausgebildeten ersten Steuerventil 39 in Verbindung. Dieses Steuerventil 39 ist einerseits mit einer Druckmittelquelle 40 verbunden, die bei der Verwendung innerhalb eines Nockenwellentriebes einer Brennkraftmaschine die Schmiermittelpumpe sein kann. Andererseits ist das Steuerventil 39 mit einem Druckmittelrücklauf 41 verbunden. In der neutralen Schaltstellung II des Steuerventils 39 sind die Druckmittelverbindungen zwischen der Druckmittelquelle 40 bzw. dem Druckmittelrücklauf 41 und den jeweiligen Druckräumen 24a und 24b bzw. 25a und 25b unterbrochen.

In der Schaltstellung I des ersten Steuerventils 39 ist die Druckmittelquelle 40 über die Ringnut 9, die axiale Bohrung 6 und die Ringnut 13 mit den Druckräumen 25a und 25b verbunden, während die Druckräume 24a und 24b über die Ringnut 12, die axiale Bohrung 5 und die Ringnut 8 mit dem Druckmittelrücklauf 41 verbunden sind.

In Schaltstellung III des ersten Schaltventils 39 erfolgt eine Umkehrung der Druckbeaufschlagung der Druckräume 24a und 24b bzw. 25a und 25b.

Der auf die Scheibe bzw. den Ringkolben 28 wirkende Druckraum 34 ist über ein zweites Steuerventil 42, das in diesem Ausführungsbeispiel als 2/2-Wegeventil ausgeführt ist, mit der Druckmittelquelle 40 verbunden. Dieses zweite Steuerventil 42 ist so ausgebildet, daß es in seiner federbelasteten Neutralstellung A die Verbindung zwischen dem Druckraum 34 und der Druckmittelquelle 40 freigibt und in seiner Schaltstellung B diese Verbindung sperrt.

Durch Druckbeaufschlagung des Druckraumes 34 wird die Scheibe bzw. der Ringkolben 28 gegen die gemeinsame Stirnfläche 26 gedrückt und erzeugt so eine Klemmwirkung, die ein Verdrehen des Innenteils relativ zum Zellenrad verhindert. Ein Verdrehen des Innenteils 14 relativ zum Zellenrad 18 durch Betätigung des ersten Steuerventils 39 ist aufgrund einer deutlich größeren hydraulischen Wirkfläche auf der dem Druckraum 34 zugewandten Seite erst möglich, wenn das zweite Steuerventil 42 in seine Sperrstellung B gebracht wird. Damit kann bei entsprechender Drucküberwachung sichergestellt werden, daß ein Freigeben der Verdrehung bzw. ein Aufheben der Klemmung erst bei Vorliegen eines unteren definierten Druckniveaus ermöglicht wird.

Der Steg 16c des Innenteils 14 ist gegenüber den Stegen 16a und 16b kürzer ausgebildet und reicht nicht bis an den Innenumfang 17 des Zellenrades 18. Dadurch wird ein Spalt 43 ausgebildet, der als Drosselspalt wirkt. Die beiden benachbarten Druckräume 24c und 25c werden unabhängig von der Schaltstellung der Steuerventile über ein Rückschlagventil 44 ständig mit System- bzw. Arbeitsdruck beaufschlagt. Dazu ist eine Druckleitung 45 über das Rückschlagventil 44 mit der Druckmittelquelle 40 verbunden. Diese Druckleitung ist in diesem Ausführungsbeispiel über eine zusätzliche Ringnut 46 in der Nockenwelle im Bereich des Nockenwellenlagers 7 mit einer radialen Bohrung 47 verbunden. Diese geht in eine zusätzliche axiale Bohrung 48 über, die im Bereich des freien Endes der Nockenwelle endseitig verschlossen ist. Diese axiale Bohrung 48 ist mit einer im Bereich des Innenteils 14 angeordneten dritten Ringnut 49 verbunden, von der jeweils ein Kanal 50 bzw. 51 ausgehend den Druckraum 25c bzw. 24c versorgt. Bei einer Verdrehung des Innenteils 14 relativ zum Zellenrad 18 wird in Abhängigkeit von der Drehrichtung Druckmittel aus dem Druckraum 24c über den Drosselspalt 43 in den Druckraum 25c bzw. vom Druckraum 25c in den Druckraum 24c verdrängt. Durch definierte Auslegung der Größe des Drossel- bzw. Dämpfungsspaltes in Abhängigkeit vom Volumenstrom bzw. den gewünschten Verstellgeschwindigkeiten sowie den auftretenden Wechselmomenten werden die überlagernden Drehlagenschwankungen aufgrund der Wechselmomente in wesentlich stärkerem Maße gedämpft, als der gleichmäßige Grundvolumenstrom aufgrund der durch die Druckdifferenz an den übrigen Druckräumen verursachten Drehlagenänderung. Der Drosselspalt kann über die gesamte Breite (in Achsrichtung) des Steges oder nur über einen Teil der Stegbreite ausgebildet sein. Im Gegensatz zum hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Drosselspalt auch zwischen einem der am Zellenrad angeordneten Stege 22a bis 22c und dem Außenumfang des Innenteils 14 ausgebildet sein.

Weiterhin kann im Gegensatz zum dargestellten Ausführungsbeispiel die Druckversorgung der Druckräume 24c und 25c auch in die eigentliche Verstelleinrichtung integriert werden. Dazu werden die Druckräume 24c und 25c analog zu den Druckräumen 24a und 24b bzw. 25a und 25b über nicht dargestellte Bohrungen mit der Ringnut 12 bzw. 13 verbunden. Um dabei sicherzustellen, daß die Druckräume 24c und 25c nicht zum Druckmitteltank entlastet werden, ist in diese Bohrungen dann jeweils ein zum jeweiligen Druckraum hin öffnendes Rückschlagventil angeordnet. Es ist auch möglich, beide Druckräume nur mit einer der beiden Ringnuten 12 oder 13 zu verbinden. Nach der ersten Druckbeaufschlagung der Verstelleinrichtung sind dann beide Druckräume 24c und 25c mit System- bzw. Arbeitsdruck beaufschlagt. In beiden Fällen kann dann auf die Druckleitung 45, die zusätzlichen Ringnuten 46 und 49 sowie die verbindenden Bohrungen 47 und 48 verzichtet werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur relativen Drehwinkeländerung der Nockenwelle (1) einer Brennkraftmaschine zu einem Antriebsrad, mit einem drehfest mit der Nockenwelle verbundenen Innenteil (14), das zumindest annähernd radial verlaufende Stege (16a bis 16c) oder Flügel aufweist, und mit einem angetriebenen Zellenrad (18), das mehrere über den Umfang verteilte Zellen aufweist, die von dem darin winkelbeweglich geführten Stegen (22a bis 22c) oder Flügeln in zwei Druckräume (24a bis 24c, 25a bis 25c) unterteilt sind, bei deren Druckbeaufschlagung die Nockenwelle über die Stege oder Flügel relativ zum Zellenrad verdrehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehlagenänderung durch integrierte Dämpfungsmittel (43) hydraulisch gedämpft ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel als Dämpfungsdrossel (43) zwischen zwei Druckräumen (24c, 25c) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Dämpfungsmitteln (43) zusammenwirkenden Druckräume (24c, 25c) ständig mit Systemdruck beaufschlagt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsdrossel (43) als Leckagekanal definierter Größe zwischen den beiden Druckräumen (24c, 25c) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Dämpfungsmitteln (43) zusammenwirkenden Druckräume (24c, 25c) benachbart und durch einen Spalt definierter Größe zwischen einem Steg (16c) oder Flügel des Innenteils (14) und dem angrenzenden Wandabschnitt (17) des Zellenrades (18) ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Dämpfungsmitteln (43) zusammenwirkenden Druckräume benachbart sind und durch einen Spalt definierter Größe zwischen einem Steg (25a bis 25c) des Zellenrades (18) und dem angrenzenden Wandabschnitt (19) des Innenteils (14) ausgebildet sind.