DE4027631C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist bekannt, die Ventilsteuerzeiten einer Brennkraftmaschine ihrer Drehzahl anzupassen, um sie in einem möglichst breiten Drehzahlbereich optimal betreiben zu können. Hierdurch können Drehmoment, Leistung, Abgasemission, Leerlaufverhalten und Kraftstoffverbrauch verbessert werden.

Eine Möglichkeit, die Ventilsteuerzeiten während des Betriebes der Brennkraftmaschine zu ändern, besteht darin, vorzugsweise die Einlaßnockenwelle in ihrer Lage relativ zu der sie antreibenden Kurbelwelle mit Hilfe eines sogenannten Phasenwandlers zu verdrehen. Dabei wird, wie z. B. aus der EP 03 35 083 bekannt, öldruckabhängig ein Koppelglied axial verschoben, welches koaxial von dem die Nockenwelle antreibenden Rad umgeben ist. Das Koppelglied trägt zwei Verzahnungen, von denen mindestens eine schräg verzahnt ist, die mit je einer korrespondierenden Verzahnung auf der Nockenwelle bzw. in dem Rad zusammenwirken. Nachteilig bei Ausführung ist der hohe Bauteilaufwand für das Ein- und Absteuern des Drucköles sowie das große Bauvolumen.

Aus der GB 21 89 086 ist eine Nockenwelle bekannt, die koaxial von einem hohlen Wellenstück umgeben ist, welches einen Nocken zur Betätigung eines Gaswechselventils trägt. Ein zwischen der Nockenwelle und dem Wellenstück ausgebildeter und abgedichteter Ringspalt ist mit einer elektroviskosen Flüssigkeit (EVF) gefüllt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Nockenwelle und dem isoliert gehaltenen Wellenstück wird die Viskosität der EVF soweit erhöht, daß eine starre Koppelung entsteht, so daß das Wellenstück synchron mit der Nockenwelle rotiert. Beim Abschalten der Spannung verflüssigt sich die elektroviskose Flüssigkeit, wodurch das Wellenstück von der Nockenwelle entkoppelt ist. Mit dieser Anordnung kann z. B. ein Gaswechselventil zu- bzw. abgeschaltet werden, oder die Ventilüberschneidung zwischen Einlaß- und Auslaßventilen kann variiert werden. Mit letzterer erzielt diese Anordnung den gleichen Effekt, der mit einer Änderung der relativen Drehlage zwischen einer Einlaß- und einer Auslaßnockenwelle zu erreichen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, die den Bauteilaufwand und das Bauvolumen verringert und von einfachem, kostengünstigem Aufbau ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Anspruches 1. Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile bestehen darin, daß die Vorrichtung die relative Drehlage schnell ändern kann und eine geringe Anzahl von Bauteilen, insbesondere von bewegten Bauteilen aufweist sowie einen geringen Bauraum beansprucht. Das als Zwischenrad ausgebildete Koppelglied ist zumindest abschnittsweise koaxial von einem feststehenden Zwischenradlagerring umgeben, wobei zwischen beiden Teilen ein Ringraum begrenzt ist, der mit einer elektroviskosen Flüssigkeit gefüllt ist. Eine von einer elektronischen Steuereinrichtung an diese Flüssigkeit gelieferte Ausgangsspannung verändert die Viskosität derart, daß auf das Zwischenrad ein Bremsmoment wirkt, welches aufgrund der Schrägverzahnung eine Axialkraft hervorruft, die das Zwischenrad in Richtung einer ersten Endlage verschiebt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen benannt.

Eine Ausbildung der ersten und zweiten Verzahnung als schräge Verzahnungen erhöht einerseits den Verdrehwinkel der Nockenwelle gegenüber der sie antreibenden Welle, andererseits ist so ein ungewolltes Zurückschieben des Zwischenrades aufgrund eines wechselnden, ungleichförmigen Nockenwellen-Antriebsdrehmomentes blockiert.

Eine aufgrund dieses Antriebsmomentes verursachte, axial pendelnde Relativbewegung des Zwischenrades auf der Nockenwelle wird durch eine Tellerfeder wirksam bedämpft, die zwischen Nockenwelle und Zwischenrad angeordnet ist und gleichzeitig die für eine Rückstellung erforderliche Federkraft aufbringt.

Damit jede beliebige Drehlage zwischen den beiden Endlagen eingestellt werden kann, ist zwischen der Nockenwelle und dem Zwischenrad ein elektroviskoses Feststellager ausgebildet, welches ebenfalls aus der elektronischen Steuereinrichtung mit einer Ausgangsspannung versorgt wird und eine radiale Druckkraft verursacht, die eine axiale Feststellkraft zur Folge hat, welche der Federkraft entgegenwirkt und diese kompensiert. Der Ringraum sowie das Feststellager werden beidseitig durch handelsübliche Dichtringe begrenzt, die in einfacher Weise in dem Zwischenrad-Lagerring bzw. auf der Nockenwelle festgelegt sind.

In dem Ringraum und auf einem dem Feststellager zugeordneten Segment der Nockenwelle sind Elektroden aufgebracht, die in direktem Kontakt mit der elektroviskosen Flüssigkeit stehen. Die Elektroden sind isoliert angeordnet, wobei entweder eine elektrisch nicht leitende Zwischenschicht verwendet wird oder der Zwischenrad-Lagerring bzw. das Segment aus nicht leitendem Material gefertigt sind.

Die Elektroden sind mittels elektrisch leitender Verbindungen an ein Hochspannungsmodul der Steuereinrichtung angeschlossen, wobei die Elektrode auf dem Segment der Nockenwelle über eine zentral in die Nockenwelle geführte Verbindung, z. B. die Verschraubung der Tellerfeder, und eine von dort radial zur Elektrode verlaufende Verbindung versorgt wird.

Ein aktueller Differenzdrehwinkel zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle wird über Sensoren erfaßt und der elektronischen Steuereinrichtung zugeführt. In dieser Steuereinrichtung sind in Kennfeldern in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine optimale Differenzdrehwinkel gespeichert. In logisch mit den optimalen Winkeln verknüpften Listen sind die Ausgangsspannungen abgelegt.

Die Vorrichtung ist von einfachem Aufbau, da sie Bauteile verwendet, die auch in bekannten, ölhydraulisch oder elektrisch betätigten Phasenwandlern benötigt werden.

Der Zwischenrad-Lagerring kann als separates Bauteil oder aber als Teil des Zylinderkopfes ausgebildet sein.

Die benötigte Flüssigkeitsmenge ist gering, da sie nicht ständig abgeführt und erneuert werden muß.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Figur erläutert, die schematisch eine Vorrichtung mit einer elektronischen Steuereinrichtung zeigt.

In einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine ist in einem nur angedeuteten Zylinderkopf 1 eine den Gaswechsel von Einlaßventilen steuernde Nockenwelle 2 drehbar gelagert, an deren antriebsseitigem Ende 3 eine Vorrichtung zur Änderung der Drehlage angeordnet ist, die die Nockenwelle 2 relativ zu einer sie antreibenden, nicht gezeigten Kurbelwelle verdreht.

Die Vorrichtung umfaßt ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebsrad 4, welches eine als schräge Innenverzahnung ausgebildete erste Verzahnung 5 trägt, die mit einer korrespondierenden Außenverzahnung 6 eines als Zwischenrad 7 ausgebildeten Koppelgliedes zusammenwirkt. Das Zwischenrad 7 besteht aus einer ringförmigen Scheibe 8 und einer hohlzylindrischen Hülse 9. Die Scheibe 8 trägt die Außenverzahnung 6 sowie eine als schräge Innenverzahnung ausgebildete zweite Verzahnung 10, die in eine entsprechende Außenverzahnung 11 auf der Nockenwelle 2 eingreift. Die in Eingriff stehenden Verzahnungen 5, 6 und 10, 11 sind wechselseitig derart schräg verzahnt, daß sich Selbsthemmung zwischen der Nockenwelle 2 und dem Antriebsrad 4 ergibt.

Das Zwischenrad 7 ist axial in jede beliebige Position zwischen zwei Endlagen E1, E2 verschiebbar, wobei die äußere Mantelfläche 15 der Hülse 9 in einem ortsfest in dem Zylinderkopf 1 angeordneten Zwischenrad-Lagerring 16 gleitet. Dieser Lagerring 16 umgibt die Hülse 9 koaxial und schließt dabei einen zwischen Hülse 9 und Lagerring 16 ausgebildeten Ringraum 17 ein. Zwischen einer Innenfläche 18 der Hülse 9 und der Nockenwelle 2 ist ein Kreisspalt 19 ausgebildet, wobei zwei beabstandet zueinander auf der Nockenwelle 2 angeordnete Dichtringe 20 innerhalb des Kreisspaltes 9 ein Feststellager 21 abgrenzen.

Eine Tellerfeder 22 ist mittig in der endseitigen Stirnfläche der Nockenwelle 2 verschraubt und befindet sich mit ihrem äußeren Randbereich in federnder Anlage mit dem Zwischenrad 7.

Auf einem zwischen den Dichtringen 20 liegenden Segment 23 der Nockenwelle 2 ist eine isoliert auf dieses Segment 23 aufgebrachte Elektrode 24 angeordnet. Eine weitere, ebenfalls isoliert aufgebrachte Elektrode 25 ist auf der den Ringraum 17 zwischenradlagerseitig begrenzenden Außenfläche 26 angeordnet. Der in dem Zwischenrad-Lagerring 16 ausgebildete Ringraum 17 ist beidseitig durch in den Lagerring 16 eingelegte Dichtringe 27 abgedichtet.

Der Ringraum 17 und das Feststellager 21 sind mit einer Flüssigkeit F gefüllt, deren Viskosität durch Anlegen einer elektrischen Spannung in einem weiten Bereich zwischen "flüssig" und "starr" regelbar ist. Eine der Vorrichtung zugeordnete elektronische Steuereinrichtung 30 umfaßt ein Hochspannungsmodul 31, welches über elektrisch leitende Verbindungen 32 den Elektroden 24 bzw. 25 Ausgangsspannungen UA1 bzw. UA2 zuführen kann. Als Gegenpol für beide Elektroden 24, 25 wirkt das über die Nockenwelle 2 geerdete Zwischenrad 7. Dem Hochspannungsmodul 31 wird von einem als Sensor wirkenden Nockenwinkelgeber 33 bzw. einem Kurbelwinkelgeber 34 ein jeweils aktueller Differenzdrehwinkel DW zwischen der Nockenwelle 2 bzw. der Kurbelwelle zugeführt.

In dem Hochspannungsmodul 31 sind Kennfelder K integriert, in dem in Abhängigkeit von dem Modul 31 zugeführten Parametern der Brennkraftmaschine, wie z. B. Drehzahl n, Last L und Öltemperatur TO, dem jeweiligen Betriebszustand entsprechende, optimale Differenzdrehwinkel DW abgespeichert sind. In logisch mit den Drehwinkeln DW verknüpften Listen B sind die Ausgangsspannungen UA1, UA2 in dem Modul 31 abgelegt.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine befindet sich das Zwischenrad 7 beispielsweise in der einer Leerlaufdrehzahl entsprechenden Endlage E1. Diese Endlage E1 ist ein bestimmter Differenzdrehwinkel DW zugeordnet, der eine für diesen Betriebszustand optimale Ventilüberschneidung zwischen den von der Nockenwelle 2 betätigten Einlaßventilen und den von einer weiteren, nicht gezeigten Nockenwelle betätigten Auslaßventilen gewährleistet. Die Flüssigkeit F im Feststellager 21 bzw. im Ringraum 17 ist flüssig. Das Feststellager 21 läuft mit der Drehzahl der Nockenwelle 2 um, während in der in dem Ringraum 17 befindlichen Flüssigkeit ein Schergeschwindigkeitsgefälle auftritt, da der Zwischenrad-Lagerring 16 gegenüber dem Zwischenrad 7 stillsteht. Die Tellerfeder 22 befindet sich in der in der Figur gezeigten Lage und übt daher keine Kraft auf das Zwischenrad 7 aus.

Wird jetzt aufgrund eines aus einem Kennfeld K ausgelesenen Wertes für einen Differenzdrehwinkel DW, der z. B. für eine mittlere Brennkraftmaschinendrehzahl optimal ist, eine Ausgangsspannung UA2 aus einer Liste bestimmt, so ändert sich aufgrund des zwischen der Elektrode 25 und dem Zwischenrad 7 wirkenden elektrischen Feldes die Viskosität der Flüssigkeit F in dem Ringraum 17 in Richtung "starr". Die erhöhte Viskosität verursacht ein auf das Zwischenrad 7 wirkendes Bremsmoment MB, welches durch die Reibkraft zwischen der Flüssigkeit F und der Hülse 9 sowie dem Außenradius dieser Hülse 9 bestimmt ist. Das Bremsmoment MB verursacht aufgrund der schrägen Verzahnungen 5, 6 bzw. 10, 11 eine axiale Kraft FAX, die die Selbsthemmung überwindet und das Zwischenrad 7 in Richtung auf die zweite Endlage E2 entgegen der von der Tellerfeder 22 aufgebrachten Federkraft FFE verschiebt.

Das von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle 2 übertragene Nockenantriebsdrehmoment verläuft aufgrund der zeitlich versetzt zu betätigenden Gaswechselventile und der dabei zu überwindenden Federkräfte ungleichförmig. Bei einer Nockenwellenumdrehung durchläuft dieses Antriebsdrehmoment z. B. mehrfach Wert zwischen +20 Nm und -20 Nm. Diese Ungleichförmigkeit bewirkt eine geringfügig pendelnde, axiale Relativbewegung des Zwischenrades 7 gegenüber der Nockenwelle 2, welche durch die Tellerfeder 22 bedämpft wird. Melden die Winkelgeber 33, 34 das Erreichen des gewünschten Differenzdrehwinkels DW, dem eine bestimmte Stellung des Zwischenrades zwischen den Endlagen E1 und E2 entspricht, so wird die Änderung der relativen Drehlage beendet, indem die Spannung UA2 abfällt und daraus resultierend die Viskosität der Flüssigkeit F in dem Ringraum 17 in Richtung "flüssig" geändert wird. Das Bremsmoment MB und die verschiebende Kraft FAX sinken ab. Zur Kompensation der Federkraft FFE bewirkt eine weitere, an die Elektrode 24 angelegte Ausgangsspannung UA1 eine Viskositätsänderung des Feststellagers 21 in Richtung "starr", so daß aus einer radialen Druckkraft zwischen Segment 23 und Hülse 9 aufgrund der Oberflächenreibung eine axiale Feststellkraft FAF entsteht, deren Richtung von der auf das Zwischenrad 7 wirkenden Kraft FAX oder FFE abhängt. Für jede Stellung des Zwischenrades 7 zwischen den Endlagen E1, E2 wird dadurch ein Kräftegleichgewicht zwischen den entgegengesetzt wirkenden Kräften FAF und FFE erreicht.

Wird das Zwischenrad 7 bis in die zweite Endlage E2 verschoben, so kann diese Lage durch ständiges Anliegen der Ausgangsspannung UA2 oder aber in der zuvor für eine beliebige Zwischenstellung beschriebene Weise erfolgen. Das Rückstellen des Zwischenrades 7 in Richtung der Endlage E1 erfolgt durch Abschalten der Ausgangsspannung UA2 und Absenken der Spannung UA1 auf einen Wert, der die Kraft FAF unter den Wert der Federkraft FFE sinken läßt, so daß diese Federkraft FFE das Zwischenrad 7 verschiebt. Dabei wirkt die aus dem Feststellager 21 resultierende Kraft FAF dämpfend auf die pendelnde Relativbewegung des Zwischenrades 7.

Für einen geforderten Verstellwinkel der Nockenwelle 2 von z. B. 15° und einen maximalen Verstellweg zwischen den Endlagen E1 und E2 von z. B. 6 mm läßt sich mit dieser Vorrichtung eine Verstellzeit von unter 0,1 sec. erzielen. Der elektrische Leistungsbedarf des Hochspannungsmodules 31 ist dabei kleiner als 5 Watt und der Außendurchmesser des Antriebsrades 4 kleiner als 100 mm.

Die geometrische Auslegung der Vorrichtung kann in weiten Bereichen den baulichen Gegebenheiten der Brennkraftmaschine angepaßt werden. Die Dimensionierung der Vorrichtung kann z. B. über die Verzahnungswinkel der schrägen Verzahnungen 5, 6 bzw. 10, 11, den erforderlichen Verstellwinkel der Nockenwelle 2, die Zusammensetzung der verwendeten Flüssigkeit F und die Rauheit der von der Flüssigkeit F benetzten Oberflächen beeinflußt werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur selbsttätig gesteuerten Änderung der relativen Drehlage zweier Wellen in einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer relativ zu einer sie antreibenden Welle (Kurbelwelle) in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine verdrehbaren Nockenwelle und mit einem die Nockenwelle antreibenden, eine erste Verzahnung tragenden Antriebsrad, welches über ein axial mindestens in zwei Endlagen verschiebbares Koppelglied auf eine zweite, mit der Nockenwelle verbundene Verzahnung wirkt, wobei mindestens eine der beiden Verzahnungen eine Schrägverzahnung ist, gekennzeichnet durch einen ortsfesten, das Koppelglied (Zwischenrad 7) zumindest abschnittsweise koaxial umgebenden und einen dazwischen ausgebildeten Ringraum (17) begrenzenden Zwischenrad-Lagerring (16), wobei der Ringraum (17) mit einer Flüssigkeit (F) gefüllt ist, deren Viskosität durch Anlegen einer von einer elektronischen Steuereinrichtung (30) gelieferten Ausgangsspannung (UA2) derart erhöht wird, daß eine aus einem auf das Zwischenrad (7) infolge der erhöhten Viskosität wirkenden Bremsmoment (MB) resultierende Axialkraft (FAX) das Zwischenrad (7) in Richtung einer der Endlagen (E1, E2) verschiebt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verzahnung (5) und die zweite Verzahnung (7) als Schrägverzahnung ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwischen Nockenwelle (2) und Zwischenrad (7) angeordnete Rückstellmittel (Tellerfeder 22), wobei das Zwischenrad (7) durch die von der Tellerfeder (22) verursachte Federkraft (FFE) in Richtung einer der Endlagen (E1, E2) belastet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein koaxial zwischen der Nockenwelle (2) und dem Zwischenrad (7) ausgebildetes Feststellager (21), welches mit einer Flüssigkeit (F) gefüllt ist, deren Viskosität durch Anlegen einer von der Steuereinrichtung (30) gelieferten Ausgangsspannung (UA1) derart erhöht wird, daß eine der Bewegungsrichtung des Zwischenrades (7) entgegengesetzte axiale Feststellkraft (FAF) auf das Zwischenrad (7) wirkt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenrad-Lagerring (16) beidseitig durch radial wirkende Dichtringe (27) begrenzt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Feststellager (21) beidseitig durch radial wirkende Dichtringe (20) begrenzt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Feststellagers (21) eine Elektrode (24) isoliert auf einem Segment (23) der Nockenwelle (2) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Ringraumes (17) eine Elektrode (25) isoliert in dem Zwischenrad-Lagerring (16) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (24, 25) über elektrisch leitende Verbindungen (32) an ein Hochspannungsmodul (31) der Steuereinrichtung (30) angeschlossen sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart der Nockenwelle (2) bzw. der Kurbelwelle Sensoren (Nockenwinkelgeber 33 bzw. Kurbelwinkelgeber 34) angeordnet sind, die einen aktuellen Differenzdrehwinkel (DW) erfassen und an das Hochspannungsmodul (31) angeschlossen sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuereinrichtung (30) mindestens ein Kennfeld (K) integriert ist, in dem in Abhängigkeit von Parametern (Drehzahl n, Last L, Öltemperatur TO) der Brennkraftmaschine optimale Differenzdrehwinkel (DW) gespeichert sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuereinrichtung (30) mindestens eine Liste (B) integriert ist, in der den Differenzdrehwinkeln (DW) zugeordnete Ausgangsspannungen (UA1, UA2) gespeichert sind.