DE19915902A1 - Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Welle, insb. einer Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine gegenüber einer diese Welle antreibenden Antriebswelle - Google Patents

Abstract

Offenbart wird eine Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine, gegenüber einer diese Welle antreibenden Antriebswelle, deren Antriebskraft über ein Übertragungsmittel (2) auf ein erstes Antriebselement (4, 5) übertragen wird, das mit einem zweiten Antriebselement (6) in Eingriff ist, das mit der Welle verbunden ist. Das erste Antriebselement (4, 5) ist schwenkbar gelagert und mittels einer Verschwenkeinrichtung verschwenkbar, ohne außer Eingriff mit dem zweiten Antriebselement (6) zu kommen. Aufgrund des beim Verschwenken durch das erste Antriebselement (4, 5) durchlaufende Übertragungsmittel (2) kommt es dabei zu einer zum Winkel delta zusätzlichen Verdrehung des zweiten Antriebselements (6) in dieselbe Drehrichtung.

Description

Einführung

Die meisten auf dem Markt befindlichen Verstellsysteme ermöglichen nur einen bescheidenen Verdrehwinkel, so daß die Systeme nur dazu benutzt werden, das Abgasverhalten zu verbessern, indem sie im Leerlauf und bei geringer Last den Einlaßöffnungsbeginn verschieben.

Will man die Vorteile einer variablen Phasenlage zwischen Nocken- und Kurbelwelle nutzen, um zusätzlich Drehmomenterhöhungen und Leistungssteigerungen außerhalb des Auslegungspunkts zu erzielen, ist neben einer hohen Verstellgeschwindigkeit ein wesentlich größerer Verstellbereich erforderlich. Bei den vorhandenen Systemen mit Schiebestück ist dies nur durch eine Erhöhung des Schrägungswinkels der Verzahnung auf dem Schiebestück, wobei man schnell in den Bereich der Selbsthemmung kommt, oder durch eine Erhöhung des Schiebeweges, was zu einer Verlängerung in Motorlängsrichtung führt, möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Welle gegenüber ihrer Antriebswelle zu schaffen, die einen relativ großen Verstellbereich und eine schnelle Verstellung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung wird die Antriebskraft einer Antriebswelle über ein Übertragungsmittel auf ein erstes Antriebselement übertragen, das mit einem zweiten Antriebselement in Eingriff ist, das mit der Welle verbunden ist. Durch eine schwenkbare Lagerung des ersten Antriebselements kann die gewünschte Winkelverstellung erzielt werden, was im Detail anhand der Figurenbeschreibung erläutert wird. Zur Verschwenkung des Antriebselements ist eine Verschwenkeinrichtung vorgesehen, die es gestattet, das Antriebselement so zu verschwenken, daß dieses in Eingriff mit dem zweiten Antriebselement bleibt.

Als Übertragungsmittel kommen bevorzugt Ketten oder Riemen zum Einsatz. Vorteilhaft weist das erste und das zweite Antriebselement Zahnräder oder ein formschlüssiges Zugmittelgetriebe auf. Dabei kann das erste Antriebselement ein Zahnrad und ein damit verbundenes Kettenrad oder Riemenscheibe aufweisen, wobei die Kraftübertragung vom Übertragungsmittel auf das erste Antriebselement über das Kettenrad oder die Riemenscheibe erfolgt und der Eingriff mit dem zweiten Antriebselement mittels des Zahnrades hergestellt wird.

Die genannte Verbindung kann drehfest ausgeführt sein. Es ist aber auch möglich, eine an sich bekannte verstellbare Verbindung vorzusehen, die wiederum eine Winkelverstellung zuläßt, um so den Gesamtverstellbereich noch zu erweitern. Dasselbe trifft für die Verbindung von zweitem Antriebselement und Welle zu.

Das erste und zweite Antriebselement können verspannt ausgebildet sein, um die Geräuschentwicklung zu reduzieren.

Zweckmäßig ist das erste Antriebselement auf einem verschwenkbaren Hebel gelagert, der von einer Verschwenkeinrichtung verschwenkt werden kann. Es sind aber auch andere Lagerungen denkbar, die ein Verschwenken des ersten Antriebselements gestatten.

Die Verschwenkeinrichtung kann zumindest einen Verstellkolben ggf. einen zweifachen Verstellkolben aufweisen. Der Verstellkolben kann mehrere, bevorzugt drei Hubstellungen aufweisen. Es können aber auch andere Verschwenkeinrichtungen zum Einsatz kommen. Es können auch stufenlos arbeitende Einrichtungen Verwendung finden und Einrichtungen, bei denen eine Verschwenkung der Lagerung des ersten Antriebselements mittels eines drehbaren Nocken erfolgt.

Funktionsbeschreibung

Die Funktion des Konzepts wird anhand der Abb. 1 und 2 beschrieben. Abb. 1 zeigt einen modifizierten Kettentrieb. Abb. 2 stellt eine ausgeführte Konstruktion der Verstellvor­ richtung dar.

Ein mit dem Kettenrad (4) drehfest verbundenes Zahnrad (5) kämmt mit einem Zahnrad (6). In Abb. 1 ist das Zahnradpaar 5/6 vor der Kettenspur dargestellt. Das Zahnrad (6) wiederum ist drehfest mit einer im Zylinderkopf gelagerten Nockenwelle verbunden. Die Verstellung erfolgt nun derart, daß die Achse des Ketten-/Zahnrades (4/5) um die Nockenwellenachse geschwenkt wird. Die Lage des Kettenrades (4) geht dabei in die Lage (4') über.

Aus der Schwenkbewegung um den Winkel δ ergibt sich in einem dem jeweiligen Kettenverlauf folgenden Koordinatensystem x mit Ursprung in A (vgl. Abb. 1) eine Zunahme der Kettenlänge um L₁ = B'A - BA, so daß man für die Gesamtverdrehung der Nockenwelle den Winkel

erhält. In einem bzgl. der Verstellanordnung körperfesten Koordinatensystem x', y' dreht sich also das Kettenrad (4) und damit unter Beachtung des Übersetzungsverhältnisses der Stirnradstufe auch die Nockenwelle aufgrund des durchlaufenden Kettenstückes noch um einen zusätzlichen, fast gleich großen Anteil in Richtung des Winkels 8 weiter.

Um eine aus der Schwenkbewegung resultierende Einflußnahme auf die Auslaßnockenwelle minimal zu gestalten, kann bei der Festlegung des Achsabstandes und der Lage des Schwenkbereiches z. B. so vorgegangen werden, daß zur Einschränkung der denkbaren Anordnungsmöglichkeiten folgende Forderungen aufgestellt werden:

• 1. Die Ausdehnung der neuen Kettenspur darf während der gesamten Schwenkbewegung den Bereich der Kettenspur ohne Verstellvorrichtung nicht verlassen.
• 2. Die Kette muß das Kettenrad (4) unter einem ausreichenden Umschlingungswinkel treiben; die Zähnezahl des Kettenrades (4) darf die Zähnezahl des Kurbelwellenkettenrades nicht unterschreiten.
• 3. Die Konfiguration der Umlenkkettenrad- und Nockenwellenachsen ist beizubehalten.

Durch Abrollen eines vorgegebenen Kettenrades (4) auf einem zwischen den Punkten A und C festgehaltenen Kettenstück, dessen Länge man sinnvoll variiert, lassen sich Bewegungsbahnen der Kettenradachse von (4) finden, die zu keiner Längenänderung im Bereich von A nach C führen. Unter Beachtung der Forderung, daß aufgrund des Zahneingriffes der Zahnräder (5) und (6) nur Kreisbewegungen um die Nockenwellenachse sinnvoll sind, werden nun Kettenlänge und Schwenkbereich so ausgewählt, daß die ideale Bewegung durch einen solchen Kreisbogen möglichst gut angenähert werden kann.

Für die in Abb. 1 skizzierte Anordnung mit einem Kurbelwellenkettenrad mit 18 Zähnen und Wahl eines Kettenrades (4) mit z₄ = 20 ergibt sich nach zweimaliger graphischer Iteration bei einem Achsabstand von 50 mm ein günstiger Schwenkbereich von 0° ≦ δ ≦ 30°.

Bereits mit einem Schwenkbereich 10° ≦ δ ≦ 30° läßt sich eine zusätzliche Verdrehung des Kettenrades (4) um 30.9° erzielen, so daß man einen Gesamtverdrehwinkel von α = 37.2°NW erhält (Zahnrad 6: z₆= 36, Zahnrad 5: z₅= 20).

Gegenüber der Ausgangslage verkürzt sich dabei die Kettenlänge zwischen den Punkten A und C um 0.77 mm. Dieser Längenbetrag muß vom Kettenspanner aufgenommen werden und führt zu einer Verdrehung des Auslaßkettenrades um 0.8°NW nach spät.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Stirnradstufe zu einer Drehrichtungsumkehr der Einlaßnockenwelle führt und eine entsprechende Anpassung des Nockensterns erfordert. Aus demselben Grund erhält man auch durch eine Schwenkbewegung in positive δ-Richtung einen frühen Einlaßschluß.

Verdreht man in einem Bereich von 10° ≦ δ ≦ 20°, so läßt sich eine Phasenverschiebung von maximal 19.1° NW erzielen. Die Kettenlänge zwischen A und C nimmt dabei um 0.9 mm zu. Man erkennt also, daß sich der Verdrehwinkel an der Nockenwelle nur näherungsweise proportional zum Schwenkwinkel δ verhält.

Durch die graphische Untersuchung einiger weiterer Winkel δ läßt sich zeigen, daß mit dieser Verstellvorrichtung große Verdrehwinkel realisierbar sind, wobei sich innerhalb der Punkte A und C Kettenlängenänderungen von < ± 1 mm einstellen. Durch Optimierung an einem CAD- System sind bzgl. der letzten Aussage weitere Verbesserungen möglich.

Anmerkungen zur konstruktiven Ausführung

Im folgenden werden Anmerkungen zu Bauteilen der in Abb. 2 gezeigten, möglichen Konstruktionausführung gemacht.

• - Die Stirnradstufe wurde aus Geräuschgründen als Schrägverzahnung mit einem Schrägungswinkel von β = 20° ausgelegt. Zum Spielausgleich ist für Motoren, deren resultierendes Gesamtmoment an der zu verstellenden Welle rückdrehende Anteile aufweist, ein geteiltes Zahnrad (6), dessen einer Teil einen Zahn mehr aufweist und der mit der anderen Hälfte, die Formschluß mit der Nockenwelle besitzt, über coulombsche oder newtonsche Reibung verspannt ist, vorgesehen.
• - Zur Senkung der auftretenden Spitzenwerte im Antriebsmoment der Nockenwelle wird die in Abb. 3 dargestellte elastische Lagerung des Zahnrades (6) vorgeschlagen.
• - Die aus der Schrägverzahnung herrührenden Axialkräfte am Zahnrad (5) werden über einen axialen Anlauf am Gehäuse (7) abgefangen. Die Nockenwelle selbst ist in Längsrichtung über einen Wellenbund und das Zahnrad (6) festgelegt.
• - Die Lagerstelle des Zahn- und Kettenrades (4/5) kann bei entsprechender Druckölversorgung über zusätzliche Gehäusebohrungen vorteilhafterweise auch als Gleitlager ausgeführt werden.
• - Die Verstellung kann stufenlos hydraulisch durch einen doppeltwirkenden, mit dem Auge (10) gelenkig verbundenen Differentialkolben, der entsprechend angesteuert wird, erfolgen.
• - Daneben wird in Abb. 4 eine Stelleinheit vorgeschlagen, die drei Positionen zuläßt. Der Wegfall einer Regelung erlaubt geringere Verstellgeschwindigkeiten, so daß sich für eine solche Variante die Versorgung mit Motoröl aus einem Druckspeicher, unter Zwischenschaltung von Rückschlagventilen, anbietet, zumal die Verstellvorrichtung sehr reibungsarm arbeitet. Neben der sehr kompakten hydraulischen Ansteuerung ist auch eine Betätigung durch ein von einem Elektromotor angetriebenes, selbsthemmendes Bewegungsgewinde (Spindel/Mutter) möglich.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine, gegenüber einer diese Welle antreibenden Antriebswelle (1), deren Antriebskraft über ein Übertragungsmittel (2) auf ein erstes Antriebselement (4, 5) übertragen wird, das mit einem zweiten Antriebselement (6) in Eingriff ist, das mit der Welle verbunden ist, wobei das erste Antriebselement (4, 5) schwenkbar gelagert ist und mittels einer Verschwenkeinrichtung verschwenkbar ist ohne außer Eingriff mit dem zweiten Antriebselement (6) zu kommen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsmittel (2) eine Kette oder ein Riemen ist, der beim Verschwenken der ersten Antriebseinheit (4, 5) durch seinen durchlaufenden Längenteil eine zusätzliche Verdrehung des ersten (4, 5) und damit auch zweiten Antriebselements (6) in dieselbe Richtung wie der Verschwenkvorgang selbst hervorruft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (4, 5) und das zweite Antriebselement (6) Zahnräder oder ein formschlüssiges Zugmittelgetriebe aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Antriebselement (4, 5) ein Zahnrad (5) und ein damit verbundenes Kettenrad (4) oder Riemenscheibe aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung drehfest ausgeführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung von zweitem Antriebselement (6) und Welle drehfest gestaltet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (4, 5) und zweite Antriebselement (6) verspannt ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Antriebselement (4, 5) auf einem verschwenkbaren Hebel gelagert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschwenkeinrichtung zumindest einen Verstellkolben aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellkolben mehrere, bevorzugt drei Hubstellungen aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweifacher Verstellkolben vorgesehen ist.