Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur relativen Drehlagenänderung einer Welle zum
Antriebsrad, insbesondere einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, nach der
Gattung des Hauptanspruches.
Eine derartige Einrichtung ist beispielsweise aus der WO 95/31633 bekannt. Diese
beschreibt eine Einrichtung zur Drehlagenänderung der Nockenwelle einer
Brennkraftmaschine, wo bei die Nockenwelle drehfest mit einem Innenrad verbunden
ist, das radiale Stege aufweist, die zugeordnete Zellen eines Zellenrades in jeweils
zwei gegeneinander wirkende Druckräume unterteilt. Dieses Zellenrad wird über einen
Ketten- bzw. Riementrieb von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angetrieben.
Die Druckbeaufschlagung der jeweiligen Druckräume erfolgt dabei über ein als
4/3-Wegeventil ausgebildetes Steuerventil, über das die Druckräume in Abhängigkeit
von der erwünschten Drehlagenänderung mit einer Druckmittelpumpe bzw. einem
Druckmitteltank verbunden sind. Dazu führt von diesem Steuerventil jeweils eine
Druckleitung zu allen gleichsinnig wirkenden Druckräumen. In diesen Druckleitungen ist
darüber hinaus jeweils ein hydraulisch entsperrbares Rückschlagventil angeordnet,
dessen Sperrwirkung jeweils vom Druck in der anderen Druckleitung aufhebbar ist.
Über diese Rückschlagventile kann in der Neutralstellung des Steuerventils bei
Vernachlässigung der Leckage-Verluste eine hydraulische Klemmung der beiden relativ
zueinander verdrehbaren Bauteile erzielt werden. Eine derartige Einrichtung ist jedoch
relativ aufwendig. Darüber hinaus kann es während des Verstellvorganges aufgrund
der nahezu ungedrosselten Verbindung der einen Druckraumgruppe zum
Druckmitteltank zu ungewollten Lageabweichungen und ungenauen bzw.
schwankenden Verstellvorgängen kommen.
Aus der US-A 4,858,572 ist darüber hinaus eine Einrichtung zur Drehlagenänderung
bekannt, bei der ein Innenteil drehfest mit dem Ende der Nockenwelle verbunden ist
und 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 können.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße
Einrichtung zur relativen Drehlagenänderung einer Welle zum Antriebsrad dahingehend
zu verbessern, daß diese einfacher und kostengünstiger aufgebaut ist und eine
schwankungsfreie Drehlagenänderung ermöglicht. Dabei soll vor allem auf die
Verwendung mehrerer aufwendiger und teurer Steuerventile verzichtet werden.
Darüber hinaus soll bei Stillstand der Brennkraftmaschine und im stationären Betrieb
der Einrichtung eine einfach wirkende hydraulische Verriegelung ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruches gelöst.
Dadurch daß bei der Einleitung des Verstellvorganges der eine Druckraum mit der
Druckmittelpumpe verbunden wird bevor der andere, entgegengerichtet wirksame mit
dem Druckmitteltank verbunden wird, wird verhindert, daß der Druckabfall auf der zu
entlastenden Seite schneller erfolgt als der Druckanstieg auf der gegenüberliegenden
Seite. Dadurch ergibt sich eine Dämpfung bzw. Drosselung auf der Ablaufseite, durch
die eine gegenüber dem Druckanstieg vorauseilende Verstellung verhindert wird. Der
Verstellvorgang wird damit gedämpft bzw. genauer. Eine derartige Steuerung der
Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung ermöglicht den Verzicht auf aufwendige
Dämpfungsmittel und ermöglicht auf einfache Weise ein kontrollierte Ansteuerung bzw.
kontrollierte Umsetzung der Verstellbewegung als Folge der Druckansteuerung.
Eine über den gesamten Verstellvorgang wirkende Dämpfung bzw. Drosselung auf der
Ablaufseite wird erreicht, wenn der Steuerquerschnitt zum Druckmitteltank während
des Verstellvorganges stets kleiner als der Öffnungsquerschnitt zur Druckmittelpumpe
ist. Dadurch wird über den gesamten Verstellvorgang ein Vorauseilen gegenüber dem
Druckanstieg verhindert, so daß über den gesamten Verstellvorgang eine sehr genaue
Lagezuordnung und eine weitgehend schwankungsfreie Verstellung möglich ist.
Eine besonders vorteilhafte und kostengünstige Ausbildung der Einrichtung zur
relativen Drehlagenänderung ergibt sich, wenn sowohl die Zulaufsteuerung als auch
die Ablaufsteuerung für die zugeordnete Drehrichtung über ein gemeinsames
Ventilglied des Steuerventils gesteuert wird.
Eine derartige Einrichtung zur relativen Drehlagenänderung wird noch einmal
vereinfacht bzw. kostengünstiger, wenn für beide Richtungen der Drehlagenänderung
ein gemeinsames Steuerventil bzw. ein gemeinsames Ventilglied genutzt werden.
Das Steuerventil kann dabei auf besonders vorteilhafte Weise als 4/3-Wegeventil
ausgebildet sein, wobei das für die Zulauf- und Ablaufsteuerung für beide
Drehrichtungen wirkende Ventilglied als Ventilschieber ausgebildet ist.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen und der Beschreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und
Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Druckmittelversorgung für einen
phasenveränderbaren Nockenwellenantrieb und in
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Steuerventils.
In der Zeichnung ist mit 1 die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine bezeichnet, an
der endseitig eine beispielsweise aus der DE 39 37 644 A1 bekannte Vorrichtung zur
hydraulischen Drehwinkelverstellung der Nockenwelle relativ zu ihrem Antriebsrad bzw.
zur Kurbelwelle angeordnet ist. Diese Verstellvorrichtung 2 hat ein drehfest mit der
Nockenwelle verbundenes Innenteil 3, das mit radialen Stegen 4 versehen ist. Diese
unterteilen die durch radiale Stege 6 begrenzten Zellen eines Zellenrades 5 in jeweils
zwei gegensinnig wirkende Druckräume. Das Zellenrad 5 ist gleichzeitig Antriebsrad
und beispielsweise mit einem Kettentrieb oder Riementrieb mit der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine verbunden. Durch entsprechende Druckbeaufschlagung der
Druckräume kann das mit der Nockenwelle 1 verbundene Innenteil 3 relativ zum
Zellenrad 5 verdreht werden, so daß sich die Phasenlage der die Gaswechselventile
betätigenden Nocken ändern.
Die hydraulische Ansteuerung der Druckräume erfolgt über zwei in der Nockenwelle
getrennt voneinander ausgebildeten Druckkanäle 7 und 8, die über zwei in einem
Nockenwellenlager 9 ausgebildete Ringnuten 9 und 10 jeweils mit einer Steuer
leitung 11 bzw. 12 verbunden sind. Die beiden Steuerleitungen 11 und 12 sind mit einem
Steuerventil 13 verbunden, das in diesem Ausführungsbeispiel als 4/3-Wegeventil
ausgebildet ist. Der Anschluß des Steuerventils 13 an die Steuerleitung 11 ist mit A
bezeichnet, der Anschluß an die Steuerleitung 12 mit B. Das Steuerventil 13 weist
einen Druckanschluß P und einen Rücklaufanschluß T auf. Der Druckanschluß P ist
über eine Druckleitung 14 und ein Rückschlagventil 15 mit der als Druckmittelquelle
dienenden Schmiermittelpumpe 16 der Brennkraftmaschine verbunden. Diese
wiederum ist über eine Saugleitung mit dem Ölvorratstank 17 bzw. der Ölwanne der
Brennkraftmaschine verbunden. Der Rücklaufanschluß T des Steuerventils 13 ist
ebenfalls mit diesem Ölvorratstank 17 verbunden.
In der Neutralstellung II des Steuerventils 13 sind sowohl die Druckleitung 14 als auch
der Rücklaufanschluß T und die beiden Steuerleitungen 11 und 12 ventilseitig
verschlossen. In der Schaltstellung I des Steuerventils 13 ist die Druckleitung 14 mit
der Steuerleitung 11 verbunden (P → B). Die Steuerleitung 12 wiederum ist über den
Rücklaufanschluß T mit dem Ölvorratstank 17 verbunden (A → T). In der Schaltstellung
III des Steuerventils 13 ist die Druckleitung 14 mit der Steuerleitung 12 verbunden
(P → A), während die Steuerleitung 11 zum Ölvorratstank 17 geöffnet ist (B → T). In den
beiden Schaltstellungen I und III des Steuerventils 13 erfolgt aufgrund der in den
jeweils angeschlossenen Druckräumen vorherrschenden Druckdifferenzen eine
Verdrehung des Innenteils relativ zum Zellenrad. Dabei erfolgt beispielsweise in der
Schaltstellung I eine Verdrehung des Innenteils relativ zum Zellenrad im Uhrzeigersinn,
während in der Schaltstellung III die relative Verdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn
erfolgt. In der Neutralstellung II wird die relative Position der beiden verdrehbaren
Bauteile der Verstelleinrichtung durch die hydraulische Einspannung beibehalten bzw.
festgelegt.
Das als 4/3-Proportionalwegeventil ausgebildete Steuerventil 13 hat ein Ventilgehäuse
18 mit einer Ventilbohrung 19, die von fünf zueinander beabstandeten Ringnuten
umgeben ist. Diese fünf Ringnuten sind in der in Fig. 2 dargestellten Anordnung von
links nach rechts fortlaufend mit 20 bis 24 bezeichnet. Die Ringnuten 20 und 24 sind
dabei auf an sich bekannte Weise mit dem Rücklaufanschluß T verbunden. Die Ringnut
21 ist mit dem Druckanschluß B verbunden, während die Ringnut 23 mit dem
Druckanschluß A verbunden ist. Die mittlere Ringnut 22 ist mit dem Druckanschluß P
verbunden. In der Ventilbohrung 19 ist dichtend und längsverschieblich ein als
Steuerkolben ausgebildetes Ventilglied 25 geführt. Dieses Ventilglied 25 hat zwei
beabstandete, dichtend in der Ventilbohrung 19 geführte Kolbenabschnitte 26 und 27,
die über einen Kolbenabschnitt 28 geringeren Durchmessers miteinander verbunden
sind. Durch die beiden Kolbenabschnitte 26 und 27 wird der zwischen dem
Kolbenabschnitt 25 und der Wandung der Ventilbohrung 19 ausgebildete Ringraum 29
abgeschlossen. Die Länge des Kolbenabschnittes 25 und die Länge der
Kolbenabschnitt 26 und 27 sind so auf die Breite und Abstände der Ringnuten 20 bis
24 abgestimmt, daß in der Neutralstellung II des Steuerventils 13 die Ringnuten 21
und 23 durch den Kolbenabschnitt 26 bzw. 27 dicht verschlossen sind. Der Abstand
der beiden einander zu gewandten Stirnseiten der Kolbenabschnitte 26 und 27 ist
dabei um ein für die sichere Abdichtung erforderliches Maß kleiner als der Abstand der
einander zugewandten Seiten der Ringnuten 21 und 23. Die Länge der
Kolbenabschnitte 26 und 27 ist so gewählt, daß die Überdeckung der Ringnuten 21
und 23 auf der dem Druckanschluß P abgewandten Stirnseite deutlich größer ist. Wird
das Ventilglied 25 aus der in Fig. 2 dargestellten Neutralstellung II beispielsweise nach
rechts in Schaltstellung I verschoben, wird der dem Druckanschluß P zugewandte
Bereich der Ringnut 23 vom Kolbenabschnitt 27 nicht mehr überdeckt bzw.
freigegeben. Auf der gegenüberliegenden Seite wird durch die größere Überdeckung
die Ringnut 21 noch vollständig durch den Kolbenabschnitt 26 überdeckt. Zu Beginn
des Verstellvorganges kann somit der dem Druckanschluß B zugeordnete Druckraum
beaufschlagt werden, ohne daß der gegenüberliegende, dem Druckanschluß A
zugeordnete Druckraum entlastet wird. Erst wenn das Ventilglied 25 weiter nach
rechts verschoben wird, wird auch die Ringnut 21 auf der der Ringnut 20 zugewandten
Seite nicht mehr vom Kolbenabschnitt 26 überdeckt bzw. von diesem freigegeben, so
daß die Verbindung A nach T geöffnet wird. Die Abmessungen und Abstände der
Ringnuten sind dabei so auf die Abmessung des Ventilgliedes abgestimmt, daß der
Öffnungsquerschnitt - beim Verschieben des Ventilgliedes nach rechts - an der Ringnut
23 stets größer als an der Ringnut 21 ist (Ablaufkantensteuerung). Wird das Ventilglied
25 in analoger Weise aus der Neutralstellung II nach links in die Schaltstellung III
verschoben, wird die dem Druckanschluß P zugewandte Seite der Ringnut 21 nicht
mehr vom Kolbenabschnitt 26 überdeckt. Der Kolbenabschnitt 27 dichtet andererseits
aufgrund der größeren Überdeckung die Ringnut 23 dabei noch vollständig ab. Erst
wenn das Ventilglied 25 weiter nach links verschoben wird, wird die Ringnut 23 in
analoger Weise auf der der Ringnut 24 zugewandten Seite nicht mehr überdeckt. Auch
hier ist der Öffnungsquerschnitt der Ringnut 21 - bei einer Verschiebung des
Ventilgliedes 25 nach links - stets größer als der an der Ringnut 23.