DE2930266A1 - Nockenwellenanordnung, insbesondere fuer eine brennkraftmaschine - Google Patents

Nockenwellenanordnung, insbesondere fuer eine brennkraftmaschine

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Description

VOLKSWAGENWERK
AKTIENGESELLSCHAFT
3180 Wolfsburg
- 3 -
κ 2769/1702-pt-hu-sa
Nockenwellenanordnung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Wenn im folgenden stets Bezug auf den Haupteinsatzfall der Erfindung, nämlich eine Noekenwellenanordnung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine, genommen wird, bedeutet dies keine Beschränkung auf diesen Fall; vielmehr ist die Erfindung mit Vorteil auch im Rahmen der Steuerung anderer Antriebe einsetzbar.
Betrachtet man den bevorzugten Einsatzfall der Erfindung, nämlich eine Viertakt-Brennkraftmaschine, so bestimmt bekanntlich die Form "der Ein- und Auslaßnocken in starkem Maße den Drehmomentverlauf, die Nenndrehzahl, den Leerlauf, den Kraftstoffverbrauch und die Abgasemission der Maschine. Maßgebend für diese Punkte sind die Öffnungszeiten der Ein- und Auslaßventile in Bezug auf die Totpunkte der Bewegungen der Kolben der Maschine, woraus sich die durch die Nocken zu verwirklichenden Steuerzeiten der Ventile ergeben. Allgemein kann gesagt werden, daß mit engen Einlaßnocken Steuerzeiten realisiert werden können, die einen guten Liefergrad bei kleinen Drehzahlen (elastischer Motor) gewährleisten. Mit einem breiten Nocken erzielt man jedoch höhere Lei-
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Vorsitzender Vorstand Ten Scti^jcker, Vorsitzender - Prof. Dr- !ecm. Ernst Fiale ■ Dr. jur. Peier Freffc C--~ter Ηξγ;,-. :.
des Aufsichtsrats: Horst Mür-.jner ■ Dr. rer.pol Werter P. sc-τιία· · Gottl.feb M. Stroöi · Pro!. Dr. rc-r. pe:. Fr.c-cncfi 7.:-·:■:-
Hsr.s Bi'r.bS'jrr Sitz der Gesellschaft: Wolfsburg Amtsgericht Wclfsturg HRE 2"E
ORIGINAL INSPECTED
stungen "bei hohen Drehzahlen, muß dann allerdings einen Drehmomentverlust bei niedrigen Drehzahlen in Kauf nehmen.
Die Steuerzeiten beeinflussen jedoch auch die Abgasemission: Je früher die Auslaßventile öffnen, desto früher wird der Oxidationsvorgang im Brennraum unterbrochen und desto größer ist der HC-Anteil im Abgas. Wird der Schließzeitpunkt des Auslaßventils in Richtung früher verlegt, so steigt der Restgasanteil im Abgas, und der NO -Anteil wird redu-
JE.
ziert. Denselben Effekt hat eine Verlegung des Öffnungszeitpunktes der Einlaßventile in Richtung früher. Dagegen hat der Schließzeitpunkt der Einlaßventile praktisch keinen Einfluß auf die Abgasemission.
Bisher waren die Verhältnisse bei verschiedenen Steuerzeiten der Ein- und der Auslaßventile getrennt betrachtet worden. Großen Einfluß auf die Abgaszusammensetzung hat jedoch auch die Größe der Überschneidung der Öffnungszeiten von Ein- und Auslaßventilen: Eine große Überschneidung im oberen Totpunkt ergibt einen unrunden Leerlauf und einen erhöhten Leerlauf verbrauch; im Abgas finden sich höhere HC- und CO-Anteile bei geringeren NO -Anteilen. Eine Verringerung der Überschneidung verbessert den Leerlauf, verringert den Verbrauch und reduziert die HC- und die CO-Anteile. Einen Sonderfall stellt in diesem Zusammenhang ein Dieselmotor dar, da bei ihm im Hinblick auf die Unterdrückung des Kalt-Nagelns eine große Überschneidung im oberen Totpunkt wünschenswert sein kann.
Schon aus diesen Darlegungen folgt anschaulich, daß Ein- und Auslaßnocken konstanter Breite und konstanter Spreizung (Abstand zwischen ihren Scheiteln) nur einen Kompromiß für die verschiedenen Drehzahlen und Lasten der Maschine darstellen können.
Daher ist in der DE-OS 19 24 114, F011, 1/O8, bereits eine Nockenwellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben, deren Nocken aus zwei gegeneinander verschwenkbaren Teilnocken bestehen,
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so daß die Breite des zusammengesetzten Nockens durch Relatiwersehwenkungen der beiden Wellen verändert werden kann. Diese EelatiwerSchwenkungen erfolgen mittels einer nach Art eines Fliehkraftreglers aufgebauten Einrichtung, deren Gewicht etwa sichelähnlich ist und bei Drehzahländerungen um einen exzentrischen Schwenkpunkt an dem Antriebsrad entgegen der Kraft einer Rückstellfeder schwenkt. Diese Schwenkbewegungen werden über ein Gestänge auf die nicht starr mit dem Antriebsrad gekoppelte der beiden Wellen übertragen. Nachteilig ist bei dieser bekannten Anordnung, daß offensichtlich trotz eines recht hohen konstruktiven Aufwands für die Einrichtung die Verstellcharakteristik, also der Zusammenhang zwischen der Größe der Relativschwenkungen zwischen den beiden Wellen und der jeweiligen Drehzahl, nicht frei gewählt werden kann, sondern bestimmt ist durch die Charakteristik der Rückstellfeder in Verbindung mit dem Gewicht des Fliehkraftreglers.
Im Prinzip wäre demgegenüber die Erzielung einer größeren Freiheit hinsichtlich der Verstellcharaktex-istik bei der Konstruktion nach der DE-OS 19 47 362, FO11, 1/34, möglich. Diese bekannte Anordnung bezieht sich auf die Änderung der Spreizung zwischen Ein- und Auslaßnocken in Abhängigkeit von der Drehzahl, d.h. auf die Relatiwerschwenkung zwischen gesamten Nocken. Die Konstruktion ist jedoch abgestellt auf das Vorhandensein von zwei fluchtenden Wellen, deren einander zugekehrte Enden im Bereich des Antriebsrads gekoppelt sind über Segmente, die unter Zwischenlage von Federn und Gewichten eines Fliehkraftreglers miteinander gekoppelt sind. Abgesehen davon, daß demgemäß diese bekannte Anordnung eine bestimmte relative Lage der Ein- und Auslaßventile erfordert, gibt sie, sofern nicht eine zweite Einrichtung vorgesehen ist, nur die Möglichkeit der Verschwenkung einer der beiden Wellen relativ zur anderen Welle, nicht aber der Verschwenkung relativ zum oberen Totpunkt. Eine Änderung der Breite eines Nockens ist nicht möglich.
Als Veröffentlichung sei noch die DE-OS 20 2$ 911, F011, I/O8, erwähnt, bei der jedem Nocken individuell eine Einrichtung zur fiktiven Änderung der Nockenbreite in Abhängigkeit von der Drehzahl zugeordnet ist. Dies
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wird erreicht durch eine drehzahlabhängige Änderung der bezüglich der Wellenachse exzentrischen Lager einer Schwenkachse des Nockens.
Gegenstand der deutschen Patentanmeldung P 28 22 147·8 ist eine Nokken wellenanordnung, die ebenfalls die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist und bei der die Einrichtung zur Erzeugung der RelatiwerSchiebung zumindest einen längs einer radialen Führung am Nockenwellen-Antriebsrad in Abhängigkeit von dem Maschinenparameter radial verschiebbaren Kurventräger mit zumindest einer seitlichen Verstellkurve enthält, auf der ein mit einer der beiden konzentrischen Wellen drehfest verbundener Tasthebel unter Federkraft aufliegt. Diese Anordnung löst die Aufgabe, eine Nockenwellenanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, daß mit geringem konstruktiven Aufwand jede von dem der Anordnung zugeordneten Antrieb her erforderliche Verstellcharakteristik erzielbar ist, und zwar unabhängig davon, ob durch die Relatiwer Schwenkungen der beiden Wellen eine Änderung der Nockenbreite oder der Spreizung erzielt werden soll. Auch bietet diese Anordnung vom Prinzip her die Möglichkeit, VerSchwenkungen relativ zum oberen Totpunkt und nicht nur Verschwenkungen einer der beiden Wellen relativ zur anderen Welle vorzunehmen und einen anderen Parameter als die Drehzahl, beispielsweise die Last, gegebenenfalls zu berücksichtigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nockenwellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei der die Relativbewegungen der beiden konzentrischen Wellen und damit der von ihnen getragenen Nocken oder Nockenteile mit geringem Aufwand auf elektronischem Wege ausgelöst werden können. Bekanntlich finden in zunehmendem Maße zur Regelung und Steuerung von Brennkraftmaschinen elektronische Einrichtungen Verwendung, denen über Sensoren verschiedene Parameter der Maschine wiedergebende elektrische Signale zugeführt werden und die, gegebenenfalls unter Verwendung gespeicherter Zusammenhänge zwischen verschiedenen Parametern und Einflußgrößen, entsprechend in ihnen gespeicherten Kurven und Kennfeldern elektrische Befehlssignale
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abgeben. Der Erfindung liegt also mit anderen Worten die Aufgabe zugrunde, die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebene Noekenwellenanordnung für den Einsatz zusammen mit derartigen elektronischen Einrichtungen geeignet auszubilden.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie nur übliche und damit bewährte Bauteile, wie einen Elektromotor und eine Spindel, erfordert. Yorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Verständlicherweise muß die Drehrichtung des Elektromotors durch Umpolung umkehrbar sein; derartige Motoren stehen dem Fachmann zur Verfugung. Die Stromzufuhr. zum Elektromotor wird man über Schleifringe und Schleifkontakte vornehmen, da der Motor auf dem sich drehenden Nockenwellen-Antriebsrad angeordnet ist.
Die Erfindung bietet die Möglichkeit, die von den beiden konzentrischen Wellen getragenen Hocken bzw. Nockenteile nach beliebigen Gesetzmäßigkeiten relativ zueinander und relativ zum oberen Totpunkt zu verstellen. Dabei kann als Parameter außer der Motordrehzahl beispielsweise die Last, die Abgasemission, die Höhe über dem Meeresspiegel zur Verstellung herangezogen werden; selbstverständlich kann auch aus mehreren Parametern beispielsweise über eine gespeicherte Kurve ein Antriebssignal für den Elektromotor gewonnen werden.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Längsschnitt und
Fig. 2 in Stirnansicht ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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Pig. 3 im Längsschnitt und
Pig. 4 in Stirnansicht ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In beiden Ausführungsbeispielen ist nur der hier interessierende Endbereich der jeweiligen Nockenwellenanordnung dargestellt. Es handelt sich dabei um die Nockenwelle zur Ventilsteuerung einer Brennkraftmaschine. Auf die Darstellung der Ventile sowie der eigentlichen Nocken ist - bis auf die mehr schematische Wiedergabe von zwei Nocken in Figur 1 - verzichtet, da diese konstruktiven Einzelheiten einerseits bekannt und andererseits für die Erfindung bedeutungslos sind.
Betrachtet man zunächst die Figuren 1 und 2, so wird die Welle 1 konzentrisch von der Hohlwelle 2 umgeben; diese beiden Wellen bilden die eigentliche Nockenwellenanordnung. Mit 3 ist ein drehfest mit der Welle 1 verbundener Nocken bezeichnet, der die Ausnehmung 4 in der Hohlwelle 2 durchsetzt. Diese wiederum trägt drehfest den Nocken 5» der in dem Ausführungsbeispiel zur Betätigung eines anderen Ventils der Brennkraftmaschine als der Nocken 3 dient. Verständlicherweise ist es ohne weiteres möglich, in einer zur Zeichenebene der Figur 1 senkrechten Ebene mehrere Nockenteile anzuordnen, die teils mit der inneren Welle 1, teils mit der Hohlwelle 2 drehfest verbunden sind, so daß sie insgesamt einen Nocken mit durch Relativverdrehung der beiden konzentrischen Wellen 1 und 2 veränderbarer Breite bilden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist drehfest auf der Hohlwelle 2 das Nokkenwellen-Antriebsrad 6 angeordnet, das beispielsweise über einen Riemen oder ein Zahnrad von der eigentlichen Brennkraftmaschine her synchron mit den Kurbelwellendrehungen angetrieben wird. Auf seiner in Figur 1 linken Stirnseite trägt das Nockenwellen-Antriebsrad 6 den Elektromotor 71 der über Leitungen 8 mit Schleifringen 9 elektrisch verbunden ist, auf denen ortsfeste Schleifkontakte gleiten. Diese Schleifkontakte sind ihrerseits verbunden mit einer elektronischen
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Steuereinrichtung, die figürlich nicht dargestellt ist und in Abhängigkeit von Motorparametern Antriebssignale für den Elektromotor 7 erzeugt .
Über das Getriebe 10 treibt der Elektromotor 7 die Gewindespindel 11 an, die mittels der Lagerböeke 12 und 13 auf der besagten Stirnseite des Nockenwellen-Antriebsrads 6 gelagert ist.
Während in diesem Ausführungsbeispiel, wie bemerkt, das Nockenwellen-Antriebsrad 6 drehfest mit der Hohlwelle 2 verbunden ist, wird seine drehmomentübertragende Verbindung mit der inneren Welle 1 über die selbsthemmende Gewindespindel 11 und das drehfest mit der inneren Welle 1 verbundene Gegengewinde 14 geschaffen. Es handelt sich hierbei um ein offenes Gewinde, das auf einem Kreisbogen um die Achse 15 der NoJckenwellenanordnung verläuft. Die dem Motor zugeführten Antriebssignale werden also umgesetzt in Drehungen der inneren Welle 1 relativ zum Nockenwellen-Antriebsrad 6 und damit relativ zur Hohlwelle 2.
Demgegenüber zeigen die Figuren 3 und 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die beiden hier mit 20 und 21 bezeichneten, wieder mit
nicht dargestellten Nocken bestückten beiden konzentrischen Wellen relativ zum Nockenwellen-Antriebsrad 22 verdreht werden können, das demgemäß drehbar auf der Hohlwelle 21 angeordnet ist. Diese Ausführungsform der Erfindung gestattet mithin die Verschwenkung der beiden konzentrischen Wellen 20 und 21 und damit der von ihnen getragenen Nocken bzw. Nockenteile relativ zu OT, so daß diese Konstruktion völlige Freiheit hinsichtlich der Lage von Nocken und Nockenteilen relativ zueinander bietet.
Im einzelnen sieht die Konstruktion wie folgt aus:
Auf dem Nockenwellen-Antriebsrad 22 ist der Elektromotor 23 angeordnet, dem wieder Schleifringe 24 zur Einleitung seiner Antriebssignale zugeordnet sind. Die drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Nockenwellen-Antriebsrad 22 und den beiden konzentrischen Wellen 20 und 21 erfolgt über die hier die beiden mit ge-
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genläufigen Steigungen ausgeführten Spindelteile 25 und 26 aufweisende Cpindel 27» die ebenso wie der Elektromotor 23 und das ihm zugeordnete Getriebe 28 auf der Stirnseite des Nockenwellen-Antriebsrads 22 gelagert sind. Die entsprechenden Lagerböcke sind mit 29, 30 und 31 bezeichnet. Auf beiden Spindelteilen 25 und 26 läuft eine Gleitmutter bzw. 33» die das zugehörige Gegengewinde aufweisen. Sie sind schwenkbar angelenkt an Arme 34 und 35» von denen jeder drehfest mit einer der beiden konzentrischen Wellen 20 und 21 verbunden sind.
Die Verwendung einer aus zwei drehfest verbundenen Teilen bestehenden Gewindespindel 27 bietet gegenüber der Verwendung von-einander unabhängiger Spindeln für die Bewegungen der beiden konzentrischen Wellen 20 und 21 den Vorteil der Einsparung eines Elektromotors.
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Claims (6)

VOLKSWAGENWERK AKTIENGESELLSCHAFT 3180 Wolfsburg κ 2769/1702-pt-hu-sa ANSPRÜCHE
1.) Nockenwellenanordnung für einen Antrieb, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, mit einer Innenwelle und einer diese konzentrisch und Relativverschwenkungen zulassend aufnehmenden Hohlwelle, die beide drehfest zumindest Teilnocken tragen, von denen die von der Innenwelle getragenen mit Spiel Ausnehmungen in der Hohlwelle durchsetzen, und mit einem mit beiden Wellen in drehmomentübertragender Verbindung stehenden Nockenwellen-Antriebsrad, dem eine Einrichtung zur Erzeugung der Relatiwerschwenkungen in Abhängigkeit von zumindest einem Parameter des Antriebs zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen auf dem Nockenwellen-Antriebsrad (6) festgelegten, von dem Parameter entsprechenden elektrischen AntriebsSignalen beaufschlagten Elektromotor (7) enthält, der ausgangsseitig auf eine auf dem Nockenwellen-Antriebsrad (6) gelagerte Gewindespindel (11) arbeitet, die quer zu den beiden konzentrischen Wellen (1,2) verläuft und mit einem Gegengewinde (14) an zumindest einer der beiden konzentrischen Wellen (1,2) in Eingriff steht.
2. Nockenwellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nockenwellen-Antriebsrad (6) drehfest mit einer der beiden konzentrischen Wellen (1,2) verbunden und das Gegengewinde (14) an der anderen der beiden konzentrischen Wellen (1,2) angeordnet ist.
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Vorsitzender Vorstand: Ton Szr-nj.n er, V;: rs .!ze "3er Pr:'. "· ^c:^_ E.tö! F.ela - Zt ^-. Peizr Fre-j; - 3„"*-:r H:..
des Aufsichlsrats ■ Horst Marzner ■ Dr rer. pci. Wer-^- D Zz^t1 n· ■ OzW ■ ^Z W. S'rob: ■ Pr:.*. Dr. rer r: _ ?·.-:■"',3; T _■
H«ms B mbaii" Sltr der GeseHschaft Wolfsburg AmtsgericM *Vc fsburcj HRE
3. Nockenwellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Gegengewinde (14) auf einem Kreisbogen erstreckt.
4. Nockenwellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nockenwellen-Antriebsrad (22) relativ zu den beiden konzentrischen Wellen (20,21) drehbar gelagert ist und mit diesen über die Spindel (27) und je ein Gegengewinde an jeder der beiden konzentrischen Wellen (20,21) in drehmomentübertragender Verbindung steht,
5. Nockenwellenanordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (27) aus zwei Teilspindeln (25,26) mit hinsichtlich
Größe und/oder Richtung unterschiedlichen Steigungen besteht, wobei jede Teilspindel (25,26) mit jeweils einem der Gegengewinde in Eingriff steht.
6. Nockenwellenanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Gegengewinde in Gleitmuttern (32,33) vorgesehen sind, die an
drehfest mit jeweils einer der beiden konzentrischen Wellen (20,21) verbundenen starren Armen (34»35) angelenkt sind.
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