DE3942052A1 - Vorrichtung zum verstellen der steuerzeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen der Steuerzeiten bei einem Steuerungsantrieb einer Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Aus der DE-OS 31 46 613 ist eine Vorrichtung zum Verstellen der Steuer­ zeiten bei einem Steuerungsantrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der jede zu verstellende Nockenwelle eine axial verschiebbare, über eine Vielkeilverbindung drehfest gehaltene Stellhülse aufweist, die über eine Schrägverzahnung mit einem von der Kurbelwelle der Brenn­ kraftmaschine angetriebenen Zwischenrad im Eingriff steht. Durch Axial­ verschiebung der Stellhülse kann dabei die Relativstellung der Nocken­ welle bezüglich der Kurbelwelle und damit die Steuerzeit der von den Nockenwellen betätigten Ventile verändert werden. Die Axialverstellung der Stellhülse wird durch einen besonderen Stellantrieb vorgenommen, der einen erheblichen Bau- und Energieaufwand erfordert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die baulich besonders kompakt ist und die mit geringen Verstellkräften eine Verstellung der Steuerzeiten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen ent­ nehmbar.

Erfindungsgemäß wird zur Verstellung der Steuerzeiten ein umschaltbarer Freilauf vorgeschlagen, der die Nockenwelle relativ zum Antriebszahnrad um einen definierten Verdrehwinkel entweder vor oder zurück verstellt. Zur Einstellung muß nur der Freilauf umgeschaltet werden, was in be­ kannter Weise durch eine entsprechende Verstellung des Freilaufkäfiges bzw. der Klemmelemente (z. B. Wälzkörper) erfolgt. Für die Umschaltung sind nur relativ geringe Betätigungskräfte erforderlich, die z. B. ohne weiteres mechanisch, elektromagnetisch, elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch aufgebracht werden können. Die eigentliche Relativverdre­ hung der Nockenwelle wird durch den Freilauf in Verbindung mit den an der Nockenwelle auftretenden Wechselmomenten selbsttätig bewirkt. Diese Wechselmomente, die bei bestimmten Nockenversätzen auf der Nockenwelle beim Betätigen der federvorgespannten Gaswechselventile deutlich ausge­ prägt sind, bewirken ein schrittweises Verdrehen der Nockenwelle durch die einseitig wirkenden Klemmkräfte innerhalb des vorgegebenen Verdreh­ winkels. Das an der Nockenwelle wirkende Wechselmoment ist ohne wei­ teres festzustellen, wenn man die Nockenwelle langsam durchdreht und dabei das Antriebsmoment mißt. lm Bereich der Auflauframpe eines Nockens (Gaswechselventil wird geöffnet bzw. die Ventilfeder gedrückt) steigt das Antriebsmoment an, geht in den Bereich der Nockenspitze auf den Reibungsanteil zurück und kehrt sich auf der Ablauframpe um, weil nunmehr die Ventilfeder den Nocken bzw. die Nockenwelle in Antriebs­ richtung beaufschlagt. Dieses Wechselmoment wird erfindungsgemäß mit­ tels des vorgeschlagenen Freilaufes zur Verstellung der Nockenwelle ge­ nutzt.

Besonders zweckmäßig können die Anschläge zur Begrenzung des Verdreh­ winkels durch radial abragende, hydraulisch beaufschlagbare Zähne ge­ bildet sein, die ein spiel- und geräuschfreies, gedämpftes Zusammenwir­ ken von Zahnrad und Nockenwelle sicherstellen und eine herstellungs­ technisch günstige Konstruktion bilden.

ln baulich besonders kompakter Anordnung und zur Verringerung des Tei­ leaufwandes können Elemente des Freilaufes unmittelbar an der Nocken­ welle und am Zahnrad ausgebildet sein. So kann der Klemmkonus unmittel­ bar durch einen Abschnitt der Nockenwelle und das Ringteil des Freilau­ fes unmittelbar durch das Zahnrad (oder umgekehrt) gebildet sein. Die Klemmkörper bzw. Wälzelemente und der Freilaufkäfig werden entsprechend eingesetzt.

Der Freilaufkäfig kann erfindungsgemäß über eine Stellhülse verstellt werden, die axial verschiebbar ist und dabei über eine Schrägführung die zur Umschaltung des Freilaufes erforderliche Verdrehung erfährt. Der Freilaufkäfig kann aber auch ohne axiale Verschiebung unmittelbar hydraulisch oder elektrisch verdreht werden.

Weiterhin können besonders vorteilhaft der Freilauf und die Stellhülse sowie ein Druckraum zur axialen Verschiebung der Stellhülse in einem an dem Zahnrad angeordneten zylindrischen Abschnitt angeordnet sein, der mit einem Deckel abgeschlossen ist. So kann die gesamte Vorrichtung mit der Nockenwelle vormontiert und als kompakte Einheit in dem Zylinder­ kopf der Brennkraftmaschine montiert werden. Bevorzugt kann dabei der zylindrische Abschnitt als ein weiteres Nockenwellen-Lager dienen, über das zudem die Druck-Schmierölversorgung der Anschläge, des Freilaufes und gegebenenfalls eine hydraulische Umschaltung des Freilaufes bewerk­ stelligt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Draufsicht durch eine teilweise dargestellte, aufgeschnit­ tene Nockenwelle im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit einer hydraulisch betätigten Vorrichtung zur Verstellung der Steuerzeiten;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 einen weiteren Querschnitt gemäß Linie III-III der Vorrichtung; und

Fig. 4 einen Querschnitt gemäß Linie IV-IV der Fig. 1.

Eine nur abschnittsweise dargestellte Nockenwelle 10 für eine Hubkol­ ben-Brennkraftmaschine trägt mehrere Nocken (nicht dargestellt), über die durch Ventilfedern in ihre Schließstellung vorgespannte Gaswechsel­ ventile bzw. Einlaßventile betätigt werden. Die Nockenwelle 10 ist Teil eines Steuerungsantriebes der Brennkraftmaschine mit einem nicht dar­ gestellten Zahnrad auf der Kurbelwelle, einer Kette oder einem Zahn­ riemen, mit entsprechenden Spannmitteln und dem Zahnrad 12, welches mit der Nockenwelle 10 eine angetriebene Einheit bildet. Die Nockenwelle 10 ist über nicht dargestellte Gleitlager in dem nur teilweise dargestell­ ten Zylinderkopf 14 der Brennkraftmaschine drehbar gelagert.

Das Zahnrad 12 ist auf einem Abschnitt 16 größeren Durchmessers der Nockenwelle 12 begrenzt verdrehbar gelagert und liegt axial an einem Anlaufbund 18 der Nockenwelle 10 an. Zur Verdrehbegrenzung sind in dem Abschnitt 16 radial verlaufende Bohrungen 20 eingearbeitet, in denen verschiebliche Zähne 22 (kreisrunden Querschnittes) angeordnet sind. Die Zähne 22 greifen in Nuten 24 an der Innenumfangsfläche 26 des Zahn­ rades 12 ein (vgl. Fig. 2). Die Breite der Nuten 24 bestimmt dabei den gewünschten Verdrehwinkel der Nockenwelle 10 relativ zum Zahnrad 12. Die Köpfe der Zähne 22 sind wie die Flanken der Nuten 24 konusförmig abgeschrägt.

In dem Abschnitt 16 sind nahezu tangential verlaufende Kanäle 28 vorge­ sehen, die jeweils vom Grund der Bohrungen 20 zu einem Tangential­ schlitz 30 an der Umfangsfläche des Abschnittes 16 der Nockenwelle 10 verlaufen. Die Tangentialschlitze 30 wiederum korrespondieren mit ra­ dial im Zahnrad verlaufenden Kanälen 32, die in noch zu beschreibender Weise mit dem Druckumlauf-Schmiersystem der Brennkraftmaschine verbun­ den sind.

An das Zahnrad 12 ist ein zylindrischer Abschnitt 36 angeformt, der mit einem Deckel 40 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 42 und mittels mehrerer Schrauben 44 flüssigkeitsdicht verbunden ist. Das stirnseitige Ende der Nockenwelle ragt teilweise in diesen zylindrischen Abschnitt 36 hinein und trägt an seiner freien Stirnfläche 46 einen Führungsbol­ zen 48, der den Deckel 40 unter Zwischenschaltung einer Ringdichtung 50 durchstößt und auf den zur axialen Sicherung des Zahnrades 12 mit dem zylindrischen Abschnitt 36 und dem Deckel 40 eine selbsthemmende Gewin­ demutter 52 aufgeschraubt ist. Die gewindefreie Länge des Führungsbol­ zens 48 ist so abgestimmt, daß sich das Zahnrad 12 im wesentlichen axialspielfrei in dem durch die Anschläge 22 vorgegebenen Drehwinkel­ bereich verdrehen läßt.

Zwischen dem zylindrischen Abschnitt 36 und der Nockenwelle 10 ist ein schaltbarer Freilauf 54 angeordnet (vgl. Fig. 3), der sich aus dem zy­ lindrischen Abschnitt 36 als äußeres Ringteil, einem inneren Abschnitt 56 der Nockenwelle 10 als Klemmkonus, mehreren walzenförmigen Wälzele­ menten 58 und den zwischen den Wälzelementen 58 angeordneten Armen 60 als Käfig zusammensetzt. Zwischen den Armen 60 und den Wälzelementen 58 ist eine wellenförmige Ringfeder 62 vorgesehen, die ein gleichmäßiges Anlegen der Wälzelemente 58 an den Klemmkonus 56 sicherstellen. Durch Verstellen der Wälzelemente 58 relativ zum Klemmkonus 56 des Freilaufes 54 kann dessen Freilaufrichtung umgeschaltet werden.

Die Wälzelemente 58 mit der wellenförmigen Ringfeder 62 sind mittels einem auf eine Nut der Nockenwelle 10 aufgesprengten Sicherungsring 64 axial gesichert. Die Arme 60 des Freilaufkäfiges, die mit einer Stell­ hülse 66 eine bauliche Einheit bilden, können über einen definierten axialen Verstellbereich axial zwischen die Wälzelemente 58 ein- bzw. ausfahren. Die Stellhülse 66 ist in dem zylindrischen Abschnitt 36 ver­ schiebbar gelagert, wobei über eine Ringdichtung 68 eine flüssigkeits­ dichte Abdichtung hergestellt ist. In die Stellhülse 66 ist an deren den Armen 60 gegenüberliegenden Stirnseite ein Ringboden 70 einge­ schraubt, der von dem Führungsbolzen 48 durchdrungen ist und mittels eines weiteren Dichtringes 72 gegenüber einem durch die Stellhülse 66 einerseits und dem Deckel 40 andererseits gebildeten Druckraum 74 abge­ dichtet ist.

Die Stellhülse 66 weist an deren Innenumfangsfläche 76 drei gleichmäßig über den Umfang verteilte, schräg zur Mittelachse der Nockenwelle ver­ laufende Nuten 78 auf, die mit in die Nockenwelle 10 an derem Außenum­ fang in spitzkonusförmige Bohrungen 80 (vgl. Fig. 4) eingesetzten Kugeln 82 eine Schrägführung bilden, die bei einem axialen Verschieben der Stellhülse 66 dieser eine Verdrehung aufprägen. Zwischen der freien Stirnseite 46 der Nockenwelle 10 und dem Ringboden 70 an der Stellhülse 66 ist eine Schraubendruckfeder 84 vorgesehen, die die Stellhülse 66 in die auf der Zeichnung rechte Endstellung vorspannt.

Der zylindrische Abschnitt 36 des Zahnrades 12 ist in einem Gleitlager 86 im Zylinderkopf 14 der Brennkraftmaschine drehbar gelagert, wobei das Zahnrad 12 innerhalb eines im Zylinderkopf 14 liegenden Schachtes 88 für die Antriebskette liegt. Das Lager 86 ist in bekannter Weise an das Druckumlauf-Schmiersystem der Brennkraftmaschine angeschlossen, wo­ bei über den radial verlaufenden Kanal 92, über die Längskanäle 34, über den radial verlaufenden Kanal 32, die Tangentialschlitze 30 und die Kanäle 28 die Bohrungen 20 bzw. die Zähne 22 mit Schmieröldruck be­ aufschlagt sind.

Über einen weiteren, radial verlaufenden Kanal 90 in dem zylindrischen Abschnitt 36 kann der Druckraum 74 bei definierten Betriebszuständen der Brennkraftmaschine an das Schmiersystem angeschlossen bzw. druckbe­ aufschlagt werden. Dies geschieht mittels eines nicht dargestellten Hy­ draulikventils, welches elektronisch drehzahl- und/oder lastabhängig gesteuert sein kann.

Die Schraubendruckfeder 84 ist hinsichtlich ihrer Vorspannung so abge­ stimmt, daß sie die Stellhülse 66 in der gezeichneten, rechten Endstel­ lung hält. Wird der Druckraum 74 an das Schmiersystem angeschlossen, so überwiegt der ansteigende Öldruck die Kraft der Schraubendruckfeder 84, so daß die Stellhülse auf der Zeichnung nach links verschoben wird, wo­ bei sie zugleich durch eine entsprechende Verdrehung den Freilauf 54 umschaltet. Die Nockenwelle 10 liegt bei entlastetem Druckraum 74 in einer Position relativ zum Zahnrad 12, wie sie in der Fig. 2 gezeigt ist, wobei der Pfeil 94 die Antriebsrichtung angibt. Ist der Druckraum 74 indessen druckbeaufschlagt, so wird die Stellhülse nach links ver­ schoben, wodurch die Arme 60 des Freilaufkäfiges auf der Zeichnung Fig. 3 im Uhrzeigersinn verdreht werden und damit die Freilaufrichtung um­ kehren. Dies bedeutet, daß nunmehr der Freilauf 54 in der Antriebsrich­ tung sperrt und aufgrund der an der Nockenwelle 10 auftretenden Wech­ selmomente diese schrittweise in der Antriebsrichtung voreilen läßt. Diese schrittweise Vorverstellung findet statt, bis die als Anschläge dienenden Zähne 22 die im Uhrzeigersinn liegende Flanke der Nuten 24 erreicht haben bzw. an dieser anliegen.

Wird der Druckraum 74 über das Hydraulikventil wieder drucklos geschal­ tet, so überwiegt die Kraft der Schraubendruckfeder 84 und die Stell­ hülse 66 fährt wieder auf der Zeichnung in die rechte Position, wobei über die Arme des Freilaufkäfiges 60 die Wälzelemente 58 wieder in die gezeichnete Position in der Fig. 3 verstellt werden. Dies kehrt die Freilaufrichtung des Freilaufes 54 wiederum um, so daß der weitere An­ trieb der Nockenwelle 10 durch formschlüssige Mitnahme über die An­ schläge bzw. Zähne 22 in den Nuten 24 erfolgt, während das Gegenmoment (Wechselmoment) nun über den Freilauf 54 abgestützt ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Verstellen der Steuerzeiten bei einem Steuerungsan­ trieb einer Brennkraftmaschine, mit einem von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Zahnrad, welches auf einer Nocken­ welle zur Betätigung der Gaswechselventile angeordnet ist, wobei die Nockenwelle mittels eines Stellelementes relativ zum Zahnrad über einen begrenzten Drehwinkel verstellbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Stellelement durch einen schaltbaren Freilauf gebildet ist, der trieblich zwischen dem Zahnrad (12) und der Nockenwelle (10) angeordnet ist, und daß zwischen dem Zahnrad (12) und der Nockenwelle (10) Anschläge (22) zur Bestimmung eines defi­ nierten Verdrehwinkels vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ schläge mehrere radial von der Nockenwelle (10) abragende Zähne (22) sind, die mit Nuten (24) innerhalb des Zahnrades (12) mit dem Verdrehwinkel entsprechendem Leerspiel korrespondieren.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (22) radial verschiebbar in Bohrungen (20) der Nockenwelle (10) eingesetzt sind und daß der Bohrungsgrund an das Schmierölsystem der Brennkraftmaschine angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemm­ konus (56) und das rotationssymetrische Ringteil (36) des Freilau­ fes (54) unmittelbar auf der Nockenwelle (10) und im Zahnrad (12) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frei­ laufkäfig (60) mit einer Stellhülse (66) verbunden ist und daß die Stellhülse (66) axial verschiebbar und über eine Schrägführung (78, 80, 82) begrenzt verdrehbar zum Klemmkonus (56) zwischen Zahnrad (12) und Nockenwelle (10) gelagert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stell­ hülse (66) mittels einer Feder (84) axial in einer Richtung vorges­ pannt ist und in die entgegengesetzte Richtung elektrisch, pneuma­ tisch oder hydraulisch verstellbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahn­ rad (12) tassenförmig mit einem zylindrischen Abschnitt (36) ausge­ führt ist, daß die Stellhülse (66) flüssigkeitsdicht in dem zylind­ rischen Abschnitt (36) geführt ist und daß zwischen der Stellhülse (66) und einem den zylindrischen Abschnitt (36) verschließendem Deckel (40) ein Druckraum (74) gebildet ist, der von einem Hydrau­ likfluid beaufschlagbar ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Abschnitt (36) des Zahnrades (12) in einem Gleitlager (86) des Zylinderkopfes (14) der Brennkraftmaschine gelagert ist und daß die Schmierölversorgung der Anschläge (22) und gegebenenfalls des Druckraumes (74) über das Gleitlager (86) erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (12) mit dem zylindrischen Abschnitt (36) auf den die Anschläge (22) und einen Anlaufbund (18) aufweisenden Abschnitt (16) der Nockenwelle (10) aufgesteckt und axial über eine an der Stirnseite (46) der Nockenwelle (10) ange­ ordnete Gewindeverbindung (48, 52), die den Deckel (40) des zylin­ drischen Abschnittes (36) flüssigkeitsdicht durchdringt, gehalten ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Stellhülse (66) axial vorspan­ nende Feder (84) einerseits an der Stirnseite (46) der Nockenwelle (10) und andererseits an einem an der Stellhülse (66) befestigten Ringboden (70) abgestützt ist.