DE4210580A1 - Vorrichtung zur Winkelverstellung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Winkelverstellung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine. Eine derartige Vorrichtung ist bekannt aus der DE-OS 38 34 857. Als schaltbare Kupplungsein­ richtung wird hier beispielsweise eine Föttinger-Kupplung verwendet, die in ihrer konstruktiven Ausgestaltung verhältnismäßig einfach ist, die aber in der Praxis nicht immer sehr zuverlässig und spontan bezüglich der erforderlichen Winkelverstellung arbeitet, so daß sich hier nicht erwünschte Verzögerungen ergeben können.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Winkelverstellung der Nocken­ welle einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie - obwohl konstruktiv aufwen­ diger - ein sofortiges Reagieren auf entsprechende Ansteuerungs­ kommandos gibt, d. h. also sehr zuverlässig arbeitet.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, sowie der nachfolgenden Beschreibung und Zeich­ nung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Zeichnung dargestellt. Diese zeigt in Fig. 1 ein Schaltprinzip der Gesamteinrichtung und bereits konstruktiver Einzelheiten in perspek­ tivischer Darstellung, in Fig. 2 einen Längsschnitt der eigent­ lichen Verstelleinrichtung, in Fig. 3 einen Längsschnitt längs III-III nach Fig. 1, in Fig. 4 einen Querschnitt längs IV/IV nach Fig. 2 und in Fig. 5 ebenfalls einen Querschnitt längs V/V nach Fig. 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist mit 10 die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine be­ zeichnet, auf welcher ein Antriebsrad 11, zum Beispiel ein Zahnrad oder Kettenrad, angeordnet ist. Dieses treibt über einen Antriebs­ strang 12 ein Antriebsrad 13 an, welches auf einer Welle 14 angeord­ net ist, an die die Auslaß-Nockenwelle 15 der Brennkraftmaschine drehfest angeschlossen ist. Das Antriebsrad 13 treibt über einen An­ triebsstrang 16 ein Antriebsrad 17 im Verhältnis i = 1 : 1 an, das drehbar auf der Außenseite eines Gehäuses 18 der eigentlichen Ver­ stelleinrichtung 19 für die Einlaß-Nockenwelle 20 der Brennkraftma­ schine angeordnet ist. Die Nockenwelle 20 ist mit Hilfe von Schrau­ ben 22 drehfest mit dem Gehäuse 18 verbunden. Neben dem Antriebsrad 17 sitzt auf dem Gehäuse auch ein Antriebsrad 23, das über einen An­ triebsstrang 24 von einem Antriebsrad 25 angetrieben ist, das eben­ falls fest auf der Welle 14 angeordnet ist. Das Übersetzungsverhält­ nis zwischen Antriebsrad 23 und Antriebsrad 25 ist etwas größer als 1 : 1, so daß sich das Antriebsrad 23 etwas schneller dreht als das Antriebsrad 25.

In dem Querschnittsbereich des Gehäuses 18, wo sich das Antriebsrad 23 befindet, ist eine Radialkolbenpumpe 25 angeordnet. Diese besteht aus zwei ineinander geführten Kolben 26, 27, von denen der Kolben 26 den größeren Durchmesser hat und der in einer durchgehenden Quer­ bohrung 28 des Gehäuses 18 gleitet. Die Kolben stützen sich mit ihren außenliegenden Kuppen an einer innenliegenden Exzenterkurve 29 des Antriebsrads 23 ab. Durch diese Kurve wird den Kolben der er­ forderliche Hub erteilt. Innerhalb des hohlen Kolbens 27 befinden sich eine Ventileinrichtung 30 mit Einlaßventil 32 und Auslaßventil 33 (Zungenventile).

Wie insbesondere die Fig. 3 zeigt, hat das Gehäuse 18 an der Nockenwellenseite eine durchgehende Bohrung 34, die in eine achs­ gleich in der Nockenwelle 20 verlaufende Bohrung 35 mündet, die zu einer Motorpumpe 36 - siehe Fig. 1 - führt, welche aus dem Vorrats­ behälter Druckmittel ansaugt und dieses unter geringem Druck über die genannten Bohrungen in einen Saugraum 37 der Radialkolbenpumpe 25 fördert. Das in die Niederdruckeinlässe 38 angesaugte Druckmittel wird über die Auslaßventile in eine Auslaßbohrung 39 verdrängt. Diese befindet sich in einem Bolzen 40, der auch die achsgleich ver­ laufende Einlaßbohrung 41 aufnimmt. Diese beiden Bohrungen sind durch einen Steg 42 voneinander getrennt. In die Auslaßbohrung 39 mündet eine den Bolzen 40 durchdringende Bohrung 44, die in einen im Gehäuse 18 verlaufenden Kanal 45 mündet.

Das Antriebsrad 17 schließt sich unmittelbar an das Antriebsrad 23 an und legt sich gegen eine Seitenwand 47 im Gehäuse 18. Diese Wand hat eine bogenförmige Ausnehmung 48 - siehe nun insbesondere Fig. 4 - in welche ein ebenfalls bogenförmiger Fortsatz 49 an der Nabe 50 des Antriebsrads 17 hineingreift. Der bogenförmige Fortsatz 49 er­ streckt sich über einen Winkel von etwa 120 Grad, während die bogen­ förmige Ausnehmung 48 sich über einen Winkel von 180 Grad erstreckt, so daß sich zwischen dem Antriebsrad 17 und dem Gehäuse 18 ein Dreh­ winkel α von etwa 60 Grad ergibt. Der eine Anschlag 50 ist als Frühanschlag, der andere Anschlag 51 als Spätanschlag bezeichnet. Frühausschlag bedeutet, daß die Nockenwelle 20 jetzt eine früh­ zeitige Öffnung der Einlaßventile bewirkt, Spätanschlag dagegen deren spätes Öffnen. Zwischen diesen beiden Anschlägen ist die Nockenwelle durch entsprechende Steuerung einstellbar.

An die zur Nockenwelle achsgleich verlaufende, zylindrische Innen­ wand 54 des Antriebsrads 17 legen sich zwei einander diametral ge­ genüberliegende Kupplungsbacken 55, 56 einer Kupplungseinrichtung 53, die sich jeweils über etwa 1/4-Umfang erstrecken. Auf die Kupp­ lungsbacken wirken über zwischenliegende zylindrische Bolzen 57, 58 druckbeaufschlagte Kolben 59, 60 ein, welche in Bohrungen 61, 62 des Gehäuses 17 dicht gleitend geführt sind. In die die Kolben aufneh­ menden Bohrungen 60, 61 münden Bohrungen 63, 64, welche mit den hochdruckführenden Bohrungen 39, 44, 45 in Verbindung stehen, d. h. die Kolben 59, 60 können von der Radialkolbenpumpe 25 beaufschlagt werden. Dies richtet sich nach der Stellung des Steuerschiebers 67 eines Steuerventils 70, der in einer Schieberbohrung 68 des Gehäuses 18 geführt und durch einen Elektromagneten 69 betätigt wird. Das Steuerventil 70 - siehe nun auch wieder Fig. 1 - ist als 5/5-We­ ge-Ventil ausgebildet. An die Schieberbohrung 68 führt eine mit dem Hochdruckkanal 45 verbundene Querbohrung 72, eine Querbohrung 73, welche mit dem Niederdruckkanal 74 in Verbindung steht, sowie eine Querbohrung 75, die zu einem im Gehäuse angeordneten Druckspeicher 76 führt. Der Druckspeicher weist einen in einer nicht weiter be­ zeichneten Bohrung gleitenden Kolben 77 auf, auf den entgegen dem Flüssigkeitsdruck eine Druckfeder 78 entgegenwirkt.

Zwischen dem Hochdruckkanal 45 und dem Niederdruckkanal 74 im Ge­ häuse 18 erstreckt sich eine Verbindungsbohrung 80, die im oberen Teil, also nahe dem Hochdruckkanal 45, ein Druckbegrenzungsventil 81 aufnimmt, das etwa auf 160 bar eingestellt ist, und im unteren Teil ein Druckhalteventil 82, das auf einen Druck von etwa 2 bar einge­ stellt ist. Die oben geschilderten Kanalverbindungen sind auch be­ sonders übersichtlich in Fig. 1 zu erkennen, teilweise schematisch als nicht weiter bezeichnete Leistungen. Je nach Stellung des Steuerschiebers 67 können die verschiedenen Druckmittelverbindungen hergestellt werden - wie in der Funktionsbeschreibung ausgeführt wird.

Die Nockenwelle 20 ist in einem motorseitigen Nockenwellenlager 84 gelagert. An der Außenseite des Gehäuses 18 ist in der Ebene des Magnetventils ein Stellungsgeber 89 angeordnet, welcher die Position des Antriebsrades 17 beziehungsweise dessen bogenförmigen Fortsatzes registriert und einer Elektronik im Motormanagement signalisiert.

Die oben beschriebene Steuereinrichtung arbeitet wie folgt: über die Kurbelwelle 10 und die genannten Antriebsräder werden die Aus­ laß-Nockenwelle 15 und über die Einrichtung 19 die Einlaß-Nocken­ welle 20 angetrieben. Die Nockenwelle 15 ist unverdrehbar gegenüber der Welle 14. Das Antriebsrad 23 dreht sich etwas schneller als das Antriebsrad 25, so daß die Radialkolbenpumpe 25 mit einer etwas höheren Drehzahl angetrieben wird als das Gehäuse 18, das über das Getriebe 13, 17 die selbe Drehzahl aufweist, wie das Antriebsrad 13.

In Schaltstellung 1 des Magnetventils 70 wird der Rücklauf der Nockenwelle 20 nach "spät" bewirkt. Dabei stehen die Kolben 59, 60 nur unter dem sehr geringen Druck des Druckhalteventils 81, da die Druckräume über die Bohrungen 63, 64 zur Niederdruckseite entlastet sind. Dazu ist noch zu bemerken, daß die Kupplungsbacken 55, 56 so ausgelegt sind, daß sie stets mit einer geringen Kraft an der Innen­ wand 54 des Gehäuses anliegen, zum Beispiel durch entsprechende Vorspannung der Außenlappen. Das mittlere Nockenwellen-Wider­ stands-Drehmoment, welches nach rückwärts gerichtet ist, bringt nun die Nockenwelle 20 durch entsprechende Verdrehung des Gehäuses 18 gegenüber dem Antriebsrad 17 nach "spät", störende Nockenwellendreh­ momentschwankungen nach vorwärts werden in dieser Ventilstellung durch das Rückschlagventil 90 aufgefangen, wobei dann der Fortsatz 49 an der Fläche 51 anliegt. Diese Stellung muß auf jeden Fall beim Anlaßvorgang gegeben sein, d. h. die Nockenwelle muß sich nun unbe­ dingt in Stellung "spät" befinden. Wenn während des Auslaßvorganges der Geber 85 anzeigt, daß sich die Nockenwelle 20 in absolut "spät" befindet, muß das Magnetventil sofort seine Schaltstellung 3 (Nor­ mal-Betrieb) einnehmen, so daß die Radialkolbenpumpe den erzeugten Druck über die Bohrungen 63, 64 in die Druckräume 61, 62 leiten kann. Damit ist der Haltedruck aufgebaut, d. h. die Kupplungsbacken werden angedrückt und gleichzeitig wird auch der Druckspeicher 76 gefüllt. In Ventilstellung 1 ist der Druckspeicher von der Pumpe ge­ trennt und die Kupplungsbacken sind entlastet.

In Stellung 2 des Steuerventils 70 wird die Pumpe blockiert und die Kupplungsbacken teilentspannt, so daß das Antriebsrad 23 über die arretierten Pumpenkolben die Nockenwelle nach "früh" mitnimmt, also in Richtung zum Anschlag 50.

Es sei noch einmal kurz auf die Stellung 3 des Steuerventils einge­ gangen. Dies ist die Normal- oder Stetigbetriebsstellung. Hier pressen die Kolben 59, 60 die Kupplungsbacken durch den mit der Pum­ pe erzeugten hydraulischen Druck an die Innenfläche 54 des Antriebs­ rads 17, so daß dieses nun die Dreharbeit für die Nockenwellenver­ drehung übernimmt, d. h. jetzt dreht die Einlaß-Nockenwelle 20 mit normaler Drehzahl synchron zur Auslaßnockenwelle 15. Die hydrau­ lische Energie zum Einkuppeln kann sowohl aus dem Druckspeicher 76 als auch aus der Pumpe bezogen werden. Das Haltemoment der Kupplung beträgt ein Vielfaches des Antriebsmomentes der Pumpe, daraus folgt eine Selbstverstärkung (Faktor 6), d. h. das Haltemoment der Kupplung ist das 6fache des Moments, welches die Pumpe aus dem Rad 23 auf­ nimmt. Somit ist die Kupplung in der Lage, stets das Nocken­ wellen-Widerstandsmoment (im Mittel nach rückwärts gerichtet) und das Pumpen-Antriebsmoment (relativ zur Kupplung nach rückwärts ge­ richtet) mit Reserve zu überlagern bzw. zu halten. Wie bereits er­ wähnt, kann in dieser Ventilstellung auch schon der Druckspeicher gefüllt werden.

Die Ventilstellung 4 dient zur Speicherfüllung im Normalbetrieb, wie oben erwähnt. Wenn man den niedrigsten Pumpendurchfluß kennt, kann man für die Speicherfüllung eine gewisse Zeit bestimmen, in welcher der Speicher auf alle Fälle gefüllt wird und so dafür sorgen, daß dann, wenn keine anderen dringenden Erfordernisse das Magnetventil veranlassen sollten, diese Stellung zu veranlassen, der Druck­ speicher vor dem nächsten Gebrauch der Ventilschaltstellung 3 ge­ füllt ist. Dies ist wichtig für ein gutes Funktionieren bzw. für ein zeitrichtiges und schnelles Auskuppeln des Antriebsrads 23 zum Ver­ meiden von unkontrolliertem Durchrutschen der Kupplungseinrichtung. Diese Zeit wäre überdies mittels eines Drucksensors und kleinem Fest-Sollwert-Regelkreis für höhere Pumpendrehzahlen minimierbar, da neben der Gesamtdrehzahl der vorkommenden Schaltungen pro Zeitein­ heit vor allem von dieser Zeit der Leistungsverbrauch der Pumpe be­ stimmt wird.

Die Ventilstellung 5 dient dazu, während des Normalbe­ triebs - (Nockenwellenwinkel hat den Sollwert erreicht) - die Pumpe zum Leerlauf zu bringen, was den Energieverbrauch nach Null streben läßt. Die Pumpe fördert nun über den Kanal 45 und die Bohrung 73 zum Behälter. Erwähnt sei nebenbei, daß auch eine stetige Verbindung vom Druckspeicher zu den Kolben hergestellt werden könnte, so daß zum Beispiel infolge Ventilleckage die Kraft auf die Kupplungsbacken nicht nachläßt.

Es sei nochmals auf einige wesentliche Punkte hingewiesen: die Ra­ dialkolbenpumpe 25 wird gegenüber der Drehzahl des Gehäuses 18 nur mit einer geringfügig größeren Drehzahl angetrieben, was jedoch als Pumpenleistung völlig genügt. Um in den sog. "Frühbetrieb" der Ein­ laß-Nockenwelle 20 zu kommen, wird über das Steuerventil 70 die Druckseite der Pumpe verschlossen, d. h. man blockiert sie. Nun muß ganz zwangsläufig das schnellere Antriebsrad 23 über die blockierte Pumpe den Nockenwellenfortsatz nach "früh" mitnehmen, und dies so lange, bis die gewünschte Drehstellung der Nockenwelle erreicht ist. Die Kupplung ist hierbei entspannt. Es ist davon auszugehen, daß bei nahezu Totalentspannung der Kupplungseinrichtungen 53 durch das mitt­ lere Widerstandmoment und einer Drehmomentschwankung nach rückwärts der Nockenwelle ein selbständiges Zurückeilen derselben nach "spät" erfolgt. Um dies nicht allzu heftig geschehen zu lassen, sind im Steuerschieber 67 Blenden 85 bis 37 - siehe Fig. 1, Ventilstellung 1, und zum Druckhalteventil 81 notwendig, um eine gewisse Brems­ wirkung über die Reibung der Kupplungsbacken zu erhalten. Der Ener­ gieverbrauch für die Schaltung pro Zeiteinheit ist außerordentlich gering.

Sollte beim Kaltstart ein Hochdruck der Radialkolbenpumpe im Raum 37 entstehen, so wurde sich der Haltedruck des Druckhalteventils 81 entsprechend steigern und ein zu hoher Druck auf die Kolben 59, 60 wirken. Dadurch würde verhindert, daß die Nockenwelle 20 nach spät gefahren werden kann. In diesem Fall müßten die hydraulischen Lei­ tungen hinter dem Ventil 81 nach außen zum Motorinnenraum verlegt werden.

Die beschriebene Vorrichtung kann auch für andere Zwecke benutzt werden, z. B. bei der Lenkwelle eines Lenkrads, wobei dann allerdings die Anschläge entfallen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Welle, insbesondere der Nockenwelle (20) einer Brennkraftmaschine gegenüber dem drehbar auf der Nockenwelle angeordneten Antriebsrad (17) und mit einem an der Nockenwelle angreifenden Getriebeelement (23), welches über eine schaltbare Kupplung (53) mit einem ein von der des Antriebsrads ver­ schiedenartigen Drehzahl aufweisenden Element verbindbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Stirnseite der Nockenwelle (20) ein zylindrisches Gehause (18) drehfest angeordnet ist, auf dem neben­ einander das erste Antriebsrad (17) und ein zweites Antriebsrad (23) angeordnet sind, wobei letzteres zum Antrieb einer im Gehäuse ange­ ordneten Pumpe (25) dient, und daß die schaltbare Kupplung (53) min­ destens einen durch von der Pumpe erzeugten Flüssigkeitsdruck beauf­ schlagten Kolben (59, 60) aufweist, der auf einen auf das Antriebs­ rad (17) einwirkenden Kupplungsbacken (55, 56) drückt, wodurch das Antriebsrad gebremst wird und gegenüber der Nockenwelle eine neue Winkellage einnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe mit einer geringfügig höheren Drehzahl über das zweite An­ triebsrad (23) gegenüber dem ersten Antriebsrad (17) angetrieben ist, welches ebenfalls von der Kurbelwelle (10) der Brennkraftma­ schine angetrieben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ge­ häuse (18) eine bogenförmige Ausnehmung (48) ausgebildet ist, in welche ein bogenförmiger Fortsatz (49) am Antriebsrad (17) eingreift und gegenüber zwei die bogenförmigen Ausnehmungen (48) begrenzende Anschläge (50, 51) um einem Winkel α verdrehbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (25) als Radialkolbenpumpe ausgebildet ist mit zwei in­ einandergleitenden Kolben (26, 27) die mit ihren außenliegenden Kuppen an einer exzentrischen Ausnehmung (29) des zweiten Antriebs­ rads (23) gleiten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß inner­ halb des kleineren Kolbens ein Flüssigkeitsverteilerkörper (30) an­ geordnet ist, in welchem der Pumpeneinlaß samt Einlaßventil (32) und der Pumpenauslaß (39) samt Auslaßventil (33) angeordnet sind und welcher Anschluß zu einem im Gehäuse angeordneten Bolzen (40) hat, von dem Druckmittelverbindungen (39, 41) zu den Druckräumen für die Kolben (59, 60) und zur Niederdruckseite bestehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (18) und die Nockenwelle (20) drehfest durch Schrauben (22) miteinander verbunden sind und daß im Gehäuse (18) ein Steuerventil (70) mit einem Steuerschieber (67) in einer Schieberbohrung (68) angeordnet ist, der insbesondere elektromagne­ tisch betätigbar ist und die Druckmittelsteuerung für die Kolben (59, 60), den Rücklauf und Verbindung zu einem ebenfalls im Gehäuse angeordneten Druckspeicher (76) steuert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuerventil (70) als 5/5-Wege-Ventil ausgebildet ist und daß im Gehäuse an die Hochdruckseite ein Druckbegrenzungs­ ventil (80) angeschlossen ist und an die Auslaßseite ein Druckhalte­ ventil (81), das auf geringen Druck eingestellt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zulauf zur Pumpe durch eine in der Nockenwelle ausgebildete Bohrung (35) und eine sich im Gehäuse (18) anschließen­ de Bohrung (34) gebildet ist, und daß diese Bohrungen an eine Motor­ pumpe (36) angeschlossen sind, die aus dem Flüssigkeitsbehälter der Brennkraftmaschine Druckmittel unter einem geringen Vordruck zur Radialkolbenpumpe (25) steuert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verdrehwinkel des Kettenrads (17) gegenüber der Nockenwelle (20) etwa 40 bis 60 Grad beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Gehäuse ein Spurkranz angeordnet ist, mit dem ein Winkelsensor (85) zusammenwirkt, welcher mit einer Elektronik des Motormanagements in Wirkverbindung steht.