DE4229201A1 - Vorrichtung zum Verstellen der Nockenwellen-Steuerzeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine stufenlose Winkelverstellung zwischen einer angetriebenen Element, vorzugsweise Nockenwel­ lenrad und einer anzutreibenden Welle, vorzugsweise Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs von Patent­ anspruch 1.

Die in Brennkraftmaschinen eingesetzten Nockenwellen betätigen die Gaswechselventile entsprechend dem Profil ihrer Nocken. Feste Ventil­ steuerzeiten sind ein Kompromiß, vor allem hinsichtlich der Anforde­ rungen an Nennleistung, Drehmoment, Verbrauch und Abgasemission. Zur Optimierung der Steuerzeiten ist es bekannt, eine Winkelverstellung bzw. Phasenverschiebung der Steuerzeiten vorzunehmen, d. h. die Stel­ lung der Nockenwelle im Verhältnis zur Kurbelwelle um einen bestimmten Kurbelwinkel zu verschieben.

Eine derartige Vorrichtung geht aus der EP-OS 0 163 046 hervor. Dabei ist in axialer Verlängerung der Nockenwelle eine sogenannte Kopplungs­ einrichtung vorgesehen, die teilweise in das Antriebsrad der Nocken­ welle eingefügt ist. Weiterhin sind radial in einem mit der Nocken­ welle verbundenen Wellenstück Kolben-Zylindereinheiten vorgesehen, die einander diametral gegenüberliegen und auf der nach außen gerichteten Seite jeweils mit einer Kugel versehen sind. Die Kugeln stehen jeweils mit einer schräg angeordneten, Reaktionskräfte verursachenden Fläche in Berührung, die in zueinander entgegengesetzter Drehrichtung an­ geordnet sind. Die schräg angeordnete Fläche ist Bestandteil des Nockenwellenrades, das die mit den Kolben-Zylindereinheiten bestückte Welle koaxial umgibt. Eine Winkelverstellung zwischen dem Antriebsrad und der Nockenwelle kann in jede Richtung erfolgen, indem das Druck­ mittel über Schaltventile den Kolben-Zylindereinheiten wechselseitig zugeführt wird.

Aus der DE-OS 39 42 052 ist ein Stellelement, bekannt mit einem hy­ draulisch schaltbaren Freilauf, zum Verstellen der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschine. Der Freilauf ist in axialer Verlängerung der Nockenwelle angeordnet und an das Druckumlauf-Schmiersystem der Brenn­ kraftmaschine angeschlossen, wobei das Druckmittel über ein Drehzahl­ bzw. lastabhängig betätigbares Schaltventil zugesteuert werden kann. Nachteilig ist, daß diese Vorrichtung Mechanismen benötigt, um den Verstellvorgang zu aktivieren, die mit spielbehafteten Verzahnungs­ elementen versehen sind und die aufgrund der Wechselmomente einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind und eine hohe Geräuschentwicklung verursachen.

Beide bekannten Vorrichtungen erfordern zur wirksamen Funktion einen relativ großen Druckmittelstrom, wodurch die Versorgung anderer Ver­ braucher der Brennkraftmaschine, insbesondere beim Schaltvorgang der Vorrichtung, benachteiligt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaf­ fen, die das ungleichförmige Drehmoment der Nockenwelle zur Verstel­ lung ausnutzt, ohne Verwendung mechanischer Freiläufe, wobei die Druckumlaufschmierung der Brennkraftmaschine im Wesentlichen nur zur Schmierung der Bauteile der Vorrichtung benötigt wird. Weiter soll eine geräuscharme, eine hohe Lebensdauer aufweisende stufenlose Noc­ kenwellenverstellung geschaffen werden, die bauraumoptimiert ein­ schließlich der erforderlichen Steuereinrichtungen innerhalb der Kontur des Antriebsrades für die Nockenwelle einsetzbar ist. Die gesamte Vorrichtung soll außerdem einfach montierbar sein und über ihre gesamte Lebensdauer im kraftübertragenden Teil spielfrei arbei­ ten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Stellele­ ment ein Schaltventil mit zumindest einem Rückschlagventil vorgesehen ist, wobei das Schaltventil zur Erreichung unterschiedlicher Schaltpo­ sitionen in einer Welle axial verschiebbar ist und zumindest zwei Leitungen aufweist, über die das am Schaltventil anstehende Druck­ mittel in zumindest zwei Kolben-Bohrungseinheiten weiterleitbar ist.

Anstelle von immer spielbehafteten rein mechanischen Verzahnungen oder Kupplungselementen bekannter Verstellvorrichtungen, weist die vorlie­ gende Erfindung wechselseitig beaufschlagte Kolben-Bohrungseinheiten auf, die vorteilhaft jegliches Spiel zwischen den mechanischen Bautei­ len hydraulisch ausgleichen.

Die Anordnung des Stellelementes innerhalb einer Welle bewirkt vor­ teilhaft eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Verstellvor­ richtung, die vorteilhaft eine unmittelbare, kostengünstige Druck­ mittelführung innerhalb der Verstellvorrichtung erlaubt und weiter eine einfache Montage ermöglicht. Die Anordnung begünstigt weiter ein schnelles Ansprechen, d. h. Reaktion der Vorrichtung auf die mit wechselnden Kraftrichtungen versehenen Umfangskräfte, mit denen die Verstellung ausgelöst wird.

Der erfindungsgemäße Aufbau stellt eine rein hydraulische Vorrichtung dar, ohne die Verwendung eines mechanischen Freilaufs. Im Gegensatz zu bisher bekannten hydraulischen Lösungen, die einen hohen Druckmittel­ durchsatz erfordern, verlangt die vorliegende Erfindung nur einen am Schaltventil anstehenden Steuerdruck, und keinen Volumenstrom, da das Druckmittel zwischen den zwei Kolben-Bohrungseinheiten wechselseitig ausgetauscht wird. Damit ergibt sich keine nachteilige Belastung der Druckumlaufschmierung der Brennkraftmaschinen aufgrund eines hohen Ölstromvolumens, der für die Betätigung der Verstellvorrichtung abge­ zweigt werden müßte. Aufgrund der wechselseitigen Druckbeaufschlagung zumindest einer Kolben-Bohrungseinheit ist ständig eine kraftschlüssi­ ge spielfreie Verbindung zwischen den beiden zu verdrehenden Wellen gegeben, wodurch sich vorteilhaft ein geräuscharmer Antrieb einstellt, der dazu verschleißarm arbeitet und eine hohe Lebensdauer sicher­ stellt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen 2 bis 19 beschrieben.

Gemäß Anspruch 2 ist das Schaltventil als ein 4/3-Wegventil ausgebil­ det und koaxial von einer als Kolbenträger ausgebildeten Welle umge­ ben, in der die Kolben-Bohrungseinheiten angeordnet sind. Das ein­ seitig Federkraftbeaufschlagte Schaltventil ist durch eine steuerbare Kraft betätigbar, z. B. durch eingesteuerten Druck aus dem Schmier­ ölkreislauf einer Druckumlaufschmierung eines Motors, mit dem das Schaltventil verschiebbar ist.

Zur genauen Positionierung sieht Anspruch 3 einen federbelasteten Anschlag vor, der größere Steuerdruckbereiche in den drei Hauptstel­ lungen des Schaltventils ermöglicht. Vorteilhaft weist die Mittel­ stellung den federbelasteten Anschlag auf.

Durch eine feinfühlig ausgelegte Regelung für die Betätigung des Schaltventils kann die Einhaltung der Mittelstellung weiter verbessert werden sowie für jede Zwischenposition das Schaltventil gehalten werden, zur Erreichung einer stufenlosen Regelung.

Nach Anspruch 4 der vorliegenden Erfindung ist der Kolbenträger zen­ trisch mit einer Ausnehmung für das Schaltventil versehen, dem konzen­ trisch im Kolbenträger eingebrachte Kolben-Bohrungseinheiten zugeord­ net sind. Der Kolbenträger ist weiter einseitig mit einem Endstück versehen, das auf der Nockenwelle geführt und kraftschlüssig damit verbunden ist.

Das Schaltventil sieht gemäß Anspruch 5 einen Druckraum an einem Ende des Schaltventils vor, der von Druckmittel beaufschlagt wird, an den sich ein Zwischenraum anschließt. Weiterhin ist ein Hochdruckraum dem Zwischenraum nachgeordnet. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß zwischen dem Druckraum und dem Zwischenraum sowie dem Zwischenraum und dem Hochdruckraum jeweils ein sich in Richtung des nachfolgenden Raumes öffnendes Rückschlagventil vorgesehen ist.

Nach Anspruch 6 sieht der Aufbau des Schaltventils Leitungen vor, die eine Verbindung zwischen den zentrisch im Schaltventil angeordneten Druckräumen und Umlaufnuten schaffen, die auf der Umfangsfläche radial im Schaltventil eingebracht sind und über Verbindungsbohrungen mit den Kolben-Bohrungseinheiten gekoppelt sind, die erfindungsgemäß jeweils paarweise im Kolbenträger angeordnet sind, wobei benachbarte Kolben­ bohrungseinheiten jeweils in eine entgegengesetzte Richtung wirken. Vorteilhaft ergibt sich durch diese Gestaltung aufgrund der Feder­ kraftbeaufschlagten Rückschlagventile und des über kurze Verbindungs­ wege übertragbaren Steuerdrucks bzw. Schaltdrucks auf die Kolben-Boh­ rungseinheiten eine vorteilhafte schnelle Verdrehung der in Antriebs­ verbindung stehenden Wellen.

Nach Anspruch 7 ermöglicht das erfindungsgemäße Schaltventil drei definierte Schaltpositionen, die sich bei drei Steuerdruckbereichen einstellen. Der erfindungsgemäße Aufbau sieht dazu federbelastete Anschläge vor, wobei durch Federkraft das Schaltventil in der Neutral­ stellung, d. h. zum Beispiel im Ruhezustand der Brennkraftmaschine, an einer Stirnfläche des Kolbenträgers anliegt. Bei Erreichen eines Steuerdrucks des Druckmittels, der größer ist als die Kraft der Druck­ feder, kommt es zu einer Axialverschiebung des Schaltventils bis an einen Anschlag, der federnd ausgelegt ist und der einen weiteren Stellweg des Schaltventils erst dann zuläßt, wenn eine weitere Erhö­ hung des Schaltdrucks erfolgt. Damit nimmt das Schaltventil drei stabile Positionen ein, bei denen klar definierte Druckverhältnisse vorherrschen.

In weiterer Ausgestaltung ist nach Anspruch 8 der Erfindung dem Schaltventil ein Steuerventil vorgeschaltet, mit dem erreichbar ist, daß der Systemdruck des Druckmittels an dem Schaltventil anliegt oder unterbrochen ist.

Gemäß Anspruch 9 ist vorgesehen, daß der Druckmittelkreislauf so ausgelegt ist, daß ausschließlich ein leckagebedingter Verlust des Druckmittel ausgeglichen wird und damit die erfindungsgemäße Vorrich­ tung nur eine Teilmenge der Druckumlaufschmierung eines Motors für eine funktionsgerechte Arbeitsweise verlangt.

Dazu ist gemäß Anspruch 10 vorgesehen, daß durch ein Betätigen des Schaltventils ein Druckmittelaustausch von einer Kolben-Bohrungsein­ heit in die benachbarte Kolben-Bohrungseinheit erfolgt oder das Druck­ mittel, das während der Stellbewegung des Schaltventils verloren geht, systembedingt ausgeglichen wird.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 11 der Kolben­ träger mit radialen Aussparungen versehen, in die Profilstücke ragen, welche drehfest mit einem den Kolbenträger umschließenden Bauteil, insbesondere einem Zahnriemenrad verbunden sind. Diese Bauweise be­ wirkt weiter eine aufgabengerechte, kompakte Bauweise der Vorrichtung.

Gemäß Anspruch 12 ist der Kolbenträger zum Zahnriemenrad radial um einen Betrag, der dem Verstellwinkel des Nockenwellenverstellers entspricht, verdrehbar. Zur Erreichung einer Verdrehbegrenzung ist der Kolbenträger sowie das Zahnriemenrad in jede Drehrichtung zeigend mit einem Anschlag und einem zugehörigen Gegenanschlag versehen. Vorteil­ haft sind die Kontaktflächen aller Anschläge elastisch bzw. federnd ausgebildet bzw. mit einem geräuschdämpfenden Material versehen, um eine geräuscharme Gestaltung der Verdrehbegrenzung zu erreichen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht nach Anspruch 13 vor, daß sich die Kolben der Kolben-Bohrungseinheiten an einem Profilstück abstützen. Die Bohrungen, in denen die Kolben geführt sind, befinden sich jeweils im Kolbenträger. Diese Bauweise unterstützt ebenfalls die kompakte Bauart der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung. Die paar­ weise eingesetzten Kolben-Bohrungseinheiten sind dabei so angeordnet, daß benachbarte Einheiten jeweils entgegengesetzt wirkend angeordnet sind. Zur Erreichung einer größeren Stellkraftübertragung ist erfin­ dungsgemäß weiter die Anordnung von mehreren, paarweise eingesetzten Kolben-Bohrungseinheiten im Kolbenträger vorgesehen.

Die konstruktive Gestaltung nach Anspruch 14 sieht einen Gehäusedeckel vor, in dem der Kolbenträger gelagert ist und der weiter als Träger­ teil z. B. zur Aufnahme des Steuerventils dient und mit Steuerbohrun­ gen versehen werden kann zur Vermeidung von außenliegenden separaten Leitungen. Vorteilhaft kann so beispielsweise das über eine Bohrung im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine geleitete Schmieröl durch den Gehäusedeckel geführt werden.

Zur gezielten Druckmittelführung ist gemäß Anspruch 15 vorgesehen, neben den im Gehäusedeckel angeordneten Steuerbohrungen das Druck­ mittel über die Lagerung des Kolbenträgers im Gehäusedeckel zu führen und von dort über Verbindungsbohrungen bzw. über Verbindungsleitungen, den Druckräumen im Schaltventil und weiteren Verbindungsbohrungen unmittelbar den Kolben-Bohrungseinheiten zuzuführen. Diese Druckmit­ telführung erfordert vorteilhaft geringe Abdichtungen und eine direkte strömungsgünstige und damit eine verlustarme Übertragung Weiterhin ist gemäß Anspruch 16 die Anordnung der Kolben-Bohrungsein­ heiten im Kolbenträger so vorgesehen, daß ein Krümmungsmittelpunkt in jeder Kolbenstellung weitestgehend mit der Kolbenachse übereinstimmt. Dazu sind die Bohrungen so zu den Wirkflächen angeordnet, daß der Krümmungsmittelpunkt der Wirkfläche in jeder Zwischenstellung sehr nahe an der Kolbenachse liegt. Vorteilhaft führt dies dazu, daß im Mittel bei diesen Nockenwellenverstellern nur sehr geringe Querkräfte auf die Kolben und die sie führenden Bohrungen wirken.

Gemäß Anspruch 17 sind die Kolben der Kolben-Bohrungseinheiten mit Kolbenringen versehen, die ein zu den Bohrungen definiertes Spiel aufweisen. Damit ergibt sich eine definierte geringe Leckage, die vorteilhaft den Druckmittelkreislauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung schnell entlüftet und weitestgehend inkompressible Druckmittelsäulen bewirkt.

Nach Anspruch 18 wird das Zahnriemenrad von einer Umfangskraft mit wechselseitig positiven und negativen Kraftanteilen beaufschlagt, wobei diese Wechselwirkung Einfluß nimmt auf die Betätigung des Schaltventils. Die im Betriebszustand der Brennkraftmaschine wirkende Umfangskraft weist einen hochdynamischen zeitlichen Verlauf auf, mit zeitlich wechselnden positiven und negativen Kraftanteilen.

Schließlich ist nach Anspruch 19 ein elektrisch betätigbares Schalt­ ventil vorgesehen. Dazu bietet sich ein Proportionalventil an, das den Anforderungen für eine wirkungsvolle Nockenwellenverstellung bei hohen Nenndrehzahlen der Brennkraftmaschine gerecht wird, die eine schnelle Reaktion des hydraulischen Freilaufs auf die sich wechselnden Kraft­ richtungen der Umfangskraft erfordert. Erfindungsgemäß sieht die Erfindung Kraftsensoren im Bereich der Bohrungen der Kolben-Bohrungs­ einheiten vor, deren Signale einer Meßwertaufbereitung übertragen werden. Über ein der Meßwertaufbereitung nachgeordnetes Stellglied erfolgt die Betätigung des Schaltventils.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen mit den zugehörigen Figurenbeschreibungen verwiesen, in denen ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung weiter verdeutlicht wird. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung für eine Winkelverstellung zwischen einer angetriebenen und einer anzutreibenden Welle;

Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung, die in einem Zahn­ riemenrad eingebrachten Kolben-Bohrungseinheiten, die zwischen Profilstücken und einem Kolbenträger einge­ setzt sind;

Fig. 3 das Zusammenspiel der Ventilfedern und des Versor­ gungsdruckes, dargestellt in einem Diagramm;

Fig. 4 ein Diagramm das den Verlauf der Umfangskraftrichtung über die Zeit darlegt;

Fig. 5 das Hydraulikschema für eine Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 6 eine Variante zu dem in Fig. 5 aufgezeigten Hydrau­ likschema.

Der Aufbau einer Verstellvorrichtung 1, die an einem freien Ende stirnseitig an einer Nockenwelle 2 angeordnet ist, wird anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Die in einem Zylinderkopf 3 gelagerte Nockenwelle 2 ist über einen zylindrischen Preßsitz 4 mit einem Endstück 5 versehen, das Bestandteil eines axial über das Ende der Nockenwelle 2 ragenden Kolbenträgers 6 ist. Dabei ist der Kolbenträger 6 innerhalb der Kontur eines Zahnriemenrades 7 angeordnet.

Wie die Fig. 2 zeigt, ist das Zahnriemenrad 7 versehen mit mehreren radial nach innen ragenden Profilstücken 9, die jeweils zwei kreisseg­ mentförmig gestaltete Wirkflächen 10, 11 aufweisen sowie eine Umfangs­ fläche 12, die als Verbindung der Profilstücke 9 mit einem Innenring 13 dient.

Die Wirkflächen 10, 11 eines jeden Profilstückes 9 sind als eine Abstütz- bzw. Anlagefläche für Kolben 14, 15, die eine Verbindung zwischen den Profilstücken 9 und dem dazu drehbar angeordneten Kolben­ träger 6 herstellen, vorgesehen. Der Kolbenträger 6 weist radiale Aussparungen 16 auf, in die die Profilstücke 9 ragen, die beidseitig einen Anschlag 17, 18 aufweisen und die mit jeweils einem Gegenan­ schlag 19, 20, angebracht am Kolbenträger 6, eine Verdrehbegrenzung bilden.

Jedem Kolben 14, 15 ist eine im Kolbenträger 6 angeordnete Bohrung 21, 22 zur Aufnahme und Führung des Kolbens 14, 15 zugeordnet. Ein Kolben 14, 15 und eine Bohrung 21, 22 bilden jeweils eine Kolben-Bohrungsein­ heit 66, 67. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind in jeder Aussparung 16, jeweils im radialen Fortsatz 25 des Kolbenträgers 6 die Bohrungen 21, 22 zur Führung der Kolben 14, 15 versetzt zueinander angeordnet.

Die Kolben 14, 15 bilden mit den zugehörigen Bohrungen 21, 22 getrenn­ te Kolbenzylindereinheiten, mit denen eine Relativverstellung zwischen dem Kolbenträger 6 und dem Zahnriemenrad 7 erreichbar ist. Zur Druck­ mittelbeaufschlagung der Kolben 14, 15 dienen radial im Kolbenträger 6 eingebrachte Bohrungen bzw. Verbindungsleitungen, die von einer zentrisch angeordneten Längsbohrung 26 ausgehen. Die Verbindungsboh­ rung 23, 24 ist dabei so angeordnet sind, daß sie jeweils die zugehö­ rige Bohrung 21, 22 schneidet. Weitere im Kolbenträger 6 eingebrachte Querbohrungen dienen dazu, die Verbindungsbohrung 23 mit Verbindungs­ bohrungen 28 zu koppeln, die von einer Fläche 29 ausgehend im Kolben­ träger 6 eingebracht sind. Zur wirkungsvollen Abdichtung aller Ver­ bindungs- und Querbohrungen sind diese einseitig z. B. durch eine Verschlußkugel 73 verschlossen. Zur Verminderung bzw. zur Erreichung einer definierten Druckmittel-Leckage zwischen dem Kolben 14, 15 und der zugehörigen Bohrung 21, 22 sind Kolbenringe 30 mit einem vorgege­ benen Spiel eingesetzt.

Die Gestaltung des Kolbenträgers 6 sieht nockenwellenseitig im Bereich des abgesetzten Endstückes 5 einen radial nach innen ragenden Kragen 63 vor, an dem eine in die Nockenwelle 2 eingesetzte Schraube 31 anliegt und das Endstück 5 des Kolbenträgers 6 über eine Stirnfläche 32 und eine Zwischenscheibe 33 an einen Nockenwellenbund 34 anpreßt. Dabei wird der Kolbenträger 6 über den Preßsitz 4 zur Nockenwelle 2 zentriert. Das Endstück 5 bildet auf seiner Außenfläche zusammen mit der Zwischenscheibe 33 ein Radial-Axialgleitlager 35 mit einem zu­ gehörigen Gehäusedeckel 36, der mit dem Zylinderkopf 3 verschraubt ist und weiter in Richtung des Zahnriemenrades 7 zeigend axial und radial eine Ringschulter 38 übergreift, die Bestandteil eines Gehäusedeckels 39 ist. Einen radialen Abstand im Bereich der Überdeckungszone zwi­ schen dem Gehäusedeckel 36 und der Ringschulter 38 gleicht eine Dich­ tung 37 aus. Das Zahnriemenrad 7 ist stirnseitig mit einem ebenfalls die Verstellvorrichtung 1 abdeckenden Abschlußdeckel 39 versehen.

Eine Druckmittelversorgung der Verstellvorrichtung 1 erfolgt über eine Bohrung 40 im Zylinderkopf 3, die korrespondiert mit einer Steuerboh­ rung 41, die im Gehäusedeckel 36 verläuft und die mit einem Steuerven­ til 42 verbunden ist. Die Steuerbohrung 41 mündet in eine Umlaufnut 43 im Endstück 5, die verbunden ist mit einer im axialer Richtung im Endstück 5 verlaufenden Verbindungsbohrung 44, welche bis zur vorderen Stirnfläche 45 des Endstückes 5 reicht, wobei über eine schräge Anfassung der vorderen Stirnfläche 45 eine unmittelbare Verbindung zu einem Druckraum 46 im Innenraum des Kolbenträgers 6 besteht, der seitlich von einem Schaltventil 47 und dem Endstück 5 begrenzt ist. Gegenüberliegend zum Druckraum 46 liegt am Schaltventil 47 eine Druck­ feder 48 an, die sich an einem Deckel 49 abstützt, der am Kolbenträger 6 befestigt ist. Der Deckel 49 bildet gleichzeitig einen axialen Anschlag für die Stellbewegung des Schaltventils 47. Einen weiteren Anschlag für das Schaltventil 47 bildet die vordere Stirnfläche 45, gegen die die Druckfeder 48 das Schaltventil 47 drückt.

Der Deckel 49 ist weiter mit einer inneren axialen Führung versehen in Form einer zweifach gestuften Anschlagbuchse 50. Diese hat einen äußeren, vorderen Anschlag und einen inneren hinteren Anschlag. Eine Ventilfeder 51, eingesetzt zwischen dem Abschlußdeckel 39 und dem inneren Anschlag der Anschlagbuchse 50, bewirkt, daß sich der äußere Anschlag am Deckel 49 abstützt.

Das Schaltventil 47 weist zentrisch, axial hintereinander angeordnet zwei federbelastete Rückschlagventile 52, 53 auf. Dabei verschließt das Rückschlagventil 52 den Druckraum 46 gegenüber einem Zwischenraum 54 und das Rückschlagventil 53 den Zwischenraum 54 gegenüber einem Hochdruckraum 55. Das Schaltventil 47 ist mit seiner Umfangsfläche 56 in der Längsbohrung 26 des Kolbenträgers 6 geführt. Auf der Umfangs­ fläche 56 weist das Schaltventil 47 zwei Umlaufnuten 57, 58 auf, die zueinander den gleichen axialen Abstand aufweisen wie die in die Umfangsfläche 56 des Kolbenträgers 6 eingebrachten Umlaufnuten 59, 60, 61, die abhängig von der Schaltposition des Schaltventils 47 mitein­ ander korrespondieren. Durch Stichbohrungen 64, 65 besteht jeweils eine Verbindung zwischen der Umlaufnut 57 und dem Hochdruckraum 55 sowie zwischen der Umlaufnut 58 und dem Zwischenraum 54.

Die Stellung des Schaltventils 47 in Fig. 1 entspricht der Ausgangs­ position, die sich bei stillstehender Brennkraftmaschine ergibt bzw. bei einer Schaltposition des Steuerventils 42, die den Druckmittel­ strom zum Schaltventil unterbricht und damit das Schaltventil 47 durch die Kraft der Druckfeder 48 zur Anlage an das Endstück 5 verschiebt. In dieser Schaltposition stehen die im Schaltventil 47 angebrachten Umlaufnuten 57, 58 mit den im Kolbenträger 6 eingebrachten Umlaufnuten 60, 61 in Verbindung. Eine Mittelposition des Schaltventils 47, bei der dieses an der Anschlagbuchse 50 anliegt, ist erreichbar mit einer Beaufschlagung des Druckraumes 46 zur Erzeugung einer Stellkraft, die größer ist als die Kraft der Druckfeder 48. In dieser Mittelposition sind alle Umlaufnuten zueinander versetzt und damit verschlossen. Zur Erreichung der Endposition (XE) des Schaltventils 47, vergl. Fig. 3, muß der im Druckraum 46 eingebrachte Steuerdruck weiter erhöht werden zur zusätzlichen Überwindung der Kraft der Ventilfeder 51. Eine Stell­ wegbegrenzung erfolgt bei Anlage der Anschlagbuchse 50 am Abschluß­ deckel 39.

Die Fig. 3 verdeutlicht das Zusammenspiel der Ventilfedern 48, 51 in Verbindung mit dem Versorgungsdruck, in dem das Schaltventil 47 über den Druckraum 46 beaufschlagt wird. Bei stillstehender Brennkraftma­ schine oder geschaltetem Steuerventil 42 bricht der Druck in der Verbindungsbohrung 44 zusammen, mit der Folge, daß die Ventilfeder 48 das Schaltventil 47 an die vordere Stirnfläche 45 verschiebt in die Anfangsposition (XA). Nach erfolgtem Start der Brennkraftmaschine oder geschaltetem Steuerventil 42 werden die Verbindungsbohrungen bzw. Verbindungsleitungen zum Druckraum 46 mit Druckmittel gefüllt, ver­ bunden mit einem Druckaufbau. Bei einem Druck (P1) besteht wie in Fig. 3 dargestellt ein Gleichgewicht zwischen der Druckkraft und der Federkraft. Bei steigendem Druck wird das Schaltventil 47 axial ver­ schoben, bis es bei einem Druck (P2) an der Anschlagbuchse 50 anliegt und damit die Mittelposition (XM) einnimmt. Bei weiter steigendem Druck verharrt das Schaltventil 47 zunächst in der Mittelposition (XM), bis zur Erreichung des Drucks (P3), bei dem die Anschlagbuchse 50 vom Deckel 49 abhebt. Bei noch weiter steigendem Druck bewegt sich das Schaltventil 47 gemeinsam mit der Anschlagbuchse 50, bis diese bei einem Druck (P4) am Abschlußdeckel 39 anliegt und auch beibehält bei einer weiteren Druckerhöhung. Diese Schaltventilposition entspricht der Endposition (XE). Das Diagramm gemäß Fig. 3 verdeutlicht, daß sich in den drei Druckbereichen:

p p1; p2 P p3; p p4

drei stabile Positionen für das Schaltventil 47 ergeben.

Den dynamischen Verlauf der Umfangskraft "F" mit Drehschwingungen, also ständig wechselnden positiven und negativen Ausschlägen, verdeut­ licht Fig. 4, wobei der Kraftverlauf auf der Zeitachse aufgetragen ist.

Das Hydraulikschema der Verstellvorrichtung 1 ist der Fig. 5 zu entnehmen. Die Pumpe 62, die übereinstimmen kann mit der Schmierölpum­ pe für die Druckumlaufschmierung einer Brennkraftmaschine, fördert dabei das Druckmittel zum Steuerventil 42. In der federbelasteten Grundstellung ist der durch das Steuerventil 42 fließende Ölstrom ausreichend zur Versorgung des Gleitlagers 35 sowie zur Füllung aller Verbindungsleitungen bzw. Verbindungsbohrungen zum Schaltventil 47, einschließlich des Druckraumes. Dabei wird jedoch der Druck P1 nicht überschritten, damit das Schaltventil 47 in der Position XA verharrt. Das Gleitlager 35 wird parallel dazu noch über eine weitere Leitung versorgt, die vor dem Steuerventil 65 abzweigt. Das durch das Steuer­ ventil 42 geleitete Druckmittel bzw. Schmieröl dient gleichzeitig neben der Betätigung für das Schaltventil 47 als Versorgungsdruck für die Verstellvorrichtung 1. Das Schaltventils 47 ist so ausgelegt, daß bei einem Druck unterhalb von (P1) das Rückschlagventil 52 öffnet, damit das Druckmittel in den Hochdruckkreislauf gelangt, selbst wenn das Schaltventil 47 in Position (XA) steht. Auch das Rückschlagventil 53 öffnet bereits bei einem Druck unterhalb von (P1), damit die Um­ laufnuten 57, 58 sowie alle damit angeschlossenen Leitungen ein­ schließlich der Bohrungen 21, 22, in denen die Kolben 14, 15 geführt sind, sich mit Druckmittel auffüllen. Dabei ist der Kolbenring 30 der Kolben 14, 15 so ausgeführt, daß eine definierte geringe Leckage auftritt, und somit eine schnelle Entlüftung des Druckmittelkreislaufs gesichert ist, damit weitestgehend inkompressible Ölsäulen entstehen. Das während des Betriebes aus den Druckräumen entweichende Leckage-Öl sammelt sich im Leckageraum 68 (Fig. 1) und 68a, von wo aus das Leckage-Öl in den Ölsumpf abfließen kann.

Wirkungsweise der Verstellvorrichtung

Die während des Fahrbetriebes am Zahnriemenrad 7 wirkende Umfangskraft "F" weist einen hochdynamischen zeitlichen Verlauf auf mit zeitlich wechselnden positiven und negativen Kraftanteilen. Wirkt in der in Fig. 4 dargestellten Position des Schaltventils 47 die Kraft "F" auf den Kolben 14, so verdrängt dieser Druckmittel aus der Bohrung 21, das über Verbindungsbohrungen bzw. Verbindungsleitungen in die Bohrung 22 fließt, in dem der Kolben 15 geführt ist. Der Druckmittelfluß erfolgt dabei teilweise durch das Schaltventil 47 und das Rückschlagventil 53, wobei gleichzeitig das Rückschlagventil 52 verschlossen wird. Ver­ ringert sich die Umfangskraft "F" und unterschreitet einen Grenzwert "F1" (siehe Fig. 4) so öffnet sich das Rückschlagventil 52, wodurch Druckmittel nachströmen kann zum Ausgleich von Leckagen.

Bei einer Umkehrung der Umfangskraft "F" zur Beaufschlagung des Kol­ bens E, verschließt das aus der Bohrung 22 austretende Druckmittel das Rückschlagventil 53 und stützt damit diese Kraftamplitude ab. Am Kolben 15 auftretende Leckagen werden kompensiert durch ein Nachströ­ men des Druckmittels über das Rückschlagventil 52 in die Bohrung 21, so daß die Kolben 14, 15 mit dem Zahnriemenrad 7 in Kontakt bleiben.

Eine dynamische Umfangskraft mit positiven und negativen Kraftanteilen führt somit dazu, daß der Kolben 14 einfährt und der Kolben 15 aus­ fährt und sich damit der Kolbenträger 6 relativ zum Zahnriemenrad 7 verdreht.

In der Schaltventilstellung (XE) wird somit ein Kraftverlauf mit einer entgegengesetzten Relativbewegung bewirkt. Dagegen werden in der Schaltstellung (XM) die Zuleitungen zu den Kolben 14, 15 verriegelt und damit das Zahnriemenrad 7 hydraulisch eingespannt. Wegen der auftretenden Leckage an den Kolben 14, 15 kann die Stellung (XM) nur kurzfristig gehalten werden.

In den Positionen (XA) und (XE) des Schaltventils 47 verdrehen sich das Zahnriemenrad 7 und der Kolbenträger 6 so lange gegeneinander, bis einer der Anschläge 17, 18 an einem der Gegenanschläge 19, 20 anliegt. In der in Fig. 4 dargestellten Position des Schaltventils 47 fährt der Kolben 14 so weit in die Bohrung 21 ein, bis der Anschlag 17 am Gegenanschlag 19 anliegt. Wirkt die Kraft "F" in dieser Stellung auf den Kolben, dann sperrt zwar das Rückschlagventil 52, aber infolge von Leckagen kommt es dennoch zu einer Verlagerung des Kolbens 15. Zur Vermeidung einer Geräuschentwicklung und Verringerung des Verschleißes sind die Anschläge 17, 18 wie auch die Gegenanschläge 19, 20 elastisch ausgeführt. Wirkt die Kraft "F" auf den Anschlag, dann federt diese elastisch ein und der Kolben wird hydraulisch nachgeführt. Wirkt die Kraft dann wieder auf den Kolben 15, so rückt dieser infolge Leckage etwas ein, der Anschlag federt etwas aus, bleibt aber in Kontakt zum Gegenanschlag.

Das Hydraulikschema gemäß Fig. 6 ist geeignet, um bei hohen Drehzah­ len der Brennkraftmaschine verbunden mit hochfrequenten Wechselbean­ spruchungen der Kolben 14, 15 für eine angepaßte schnelle Reaktion der Verstellvorrichtung 1 zu sorgen. Um die Einflußnahme, die Reaktions­ zeiten zu verbessern, ist das Schaltventil 47a als ein Proportional­ ventil ausgelegt, das unmittelbar über eine Leitung mit der Pumpe 62 verbunden ist, die nur unterbrochen ist durch das Rückschlagventil 52a. Dabei bietet es sich an, das Schaltventil 47a unterstützt durch eine elektronische Regelung zu betätigen, bei der Sensoren 69, 70 die wechselnden Kraftrichtungen der Umfangskraft erfassen und die Signale einer Meßwerterfassung bzw. Meßwertaufbereitung 71 zu leiten zur Betä­ tigung des Schaltventils 47a über ein Stellglied 72. Ein leckagebe­ dingte Nachfüllen des hydraulischen Systems ist gemäß diesem Schema schneller möglich, da das Öl direkt von der Pumpe 62 zum Schaltventil 47a gelangt, ohne beispielsweise über das Gleitlager 35 geführt zu werden, wie in Fig. 5 gezeigt.

Bezugszeichen

 1 Verstellvorrichtung
 2 Nockenwelle
 3 Zylinderkopf
 4 Preßsitz
 5 Endstück
 6 Kolbenträger
 7 Zahnriemenrad
 8 Innenring
 9 Profilstück
10 Wirkfläche
11 Wirkfläche
12 Umfangsfläche
13 Innenring
14 Kolben (A)
15 Kolben (B)
16 Aussparung
17 Anschlag (A)
18 Anschlag (B)
19 Gegenanschlag (A)
20 Gegenanschlag (B)
21 Bohrung (A)
22 Bohrung (B)
23 Verbindungsbohrung (A)
24 Verbindungsbohrung (B)
25 Radialer Fortsatz
26 Längsbohrung
27 Querbohrung
28 Verbindungsbohrung
29 Fläche
30 Kolbenring
31 Schraube
32 Stirnfläche
33 Zwischenscheibe
34 Nockenwellenbund
35 Radial-Axial-Gleitlager
36 Gehäusedeckel
37 Dichtung
38 Ringschulter
39 Abschlußdeckel
40 Bohrung
41 Steuerbohrung
42 Steuerventil
43 Umlaufnut
44 Verbindungsbohrung
45 Vordere Stirnfläche
46 Druckraum
47 Schaltventil
48 Ventilfeder
49 Deckel
50 Anschlagbuchse
51 Ventilfeder
52 Rückschlagventil (1.)
53 Rückschlagventil (2.)
54 Zwischenraum
55 Hochdruckraum
56 Umfangsfläche
57 Umlaufnut
58 Umlaufnut
59 Umlaufnut
60 Umlaufnut
61 Umlaufnut
62 Pumpe
63 Kragen
64 Stichbohrung
65 Stichbohrung
66 Kolben-Bohrungseinheit
67 Kolben-Bohrungseinheit
68 Leckageraum
69 Sensoren
70 Sensoren
71 Meßwertaufbereitung
72 Stellglied
73 Verschlußkugel

Claims (19)

1. Vorrichtung für eine stufenlose Winkelverdrehung zwischen einem angetriebenen Element, vorzugsweise Nockenwellenrad (7) und einer anzutreibenden Welle, vorzugsweise Nockenwelle einer Brennkraftmaschi­ ne, wobei die Vorrichtung ein das Nockenwellenrad (7) mit der Nocken­ welle (2) verbindendes, von einem Druckmittel beaufschlagbares Stell­ element aufweist, und wobei ein durch Bohrungen bzw. Verbindungslei­ tungen geleiteter und steuerbarer Druckmittelfluß vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltventil (47) mit zumindest einem Rückschlagventil ein Stellelement bildet, das in einer drehfest mit der Nockenwelle verbundenen Welle axial verschiebbar ist und zumindest zwei Leitungen aufweist, über die eine gegenseitige Druckmittelver­ sorgung zwischen zumindest zwei Kolben-Bohrungseinheiten (66, 67) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltventil (47) ein 4/3-Wegeventil vorgesehen ist, das von einer als Kolbenträger (6) ausgebildeten Welle koaxial umgeben ist, einerseits federkraftbeaufschlagt ist und andererseits von einer steuerbaren Kraft beaufschlagt werden kann.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zumindest ein federbelasteter Anschlag für eine Zwischenstellung des Schaltventils (47) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kolbenträger (6) eine zentrische Ausnehmung für das Schaltventil (47) aufweist, dem konzentrisch im Kolbenträger (6) angeordnete Kolben-Bohrungseinheiten (66, 67) zugeordnet sind, wobei der Kolbenträger (6) einseitig ein Endstück aufweist, das auf einer Nockenwelle (2) geführt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schaltventil (47) einen Druckraum (46) aufweist, an den sich ein Zwischenraum (54) anschließt, und daß ein Hochdruck­ raum (55) dem Zwischenraum (54) nachgeordnet ist, wobei die Räume jeweils durch ein sich in Richtung des nachfolgenden Raumes öffnendes Rückschlagventil getrennt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Schaltventil (47) Leitungen (64, 65) vorgesehen sind, die eine Verbindung schaffen zwischen den zentrisch im Schalt­ ventil (47) angeordneten Druckräumen und Umlaufnuten (57, 58), die auf einer Umfangsfläche radial in das Schaltventil (47) eingebracht sind und die über Verbindungsbohrungen (23, 24) mit Bohrungen (21, 22) der Kolben-Bohrungseinheiten (66, 67) gekoppelt sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für das Schaltventil (47) drei definierte Schaltpo­ sitionen vorgesehen sind, die sich bei drei Steuerdruckbereichen ein­ stellen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein dem Schaltventil (47) vorgeschaltetes Steuerven­ til (42) vorgesehen ist, mit dem der Druckmittelfluß zum Schaltventil (47) freigegeben und gesteuert oder unterbrochen werden kann.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druckmittelkreislauf so ausgelegt ist, daß ein leckagebedingter Verlust ausgeglichen wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch ein Betätigen des Schaltventils (47) ein Druckmittelaustausch von einer Kolben-Bohrungseinheit in die andere Kolben-Bohrungseinheit oder umgekehrt erfolgen kann.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenträger (6) radiale Aussparungen (16) aufweist, in die jeweils ein Profilstück (9) ragt, welches drehfest mit einem den Kolbenträger (6) umschließenden Bauteil, z. B. einem Zahnrad oder Zahnriemenrad (7) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenträger (6) zum umschließenden Bauteil radial verdrehbar und mit Anschlägen (17, 18) versehen ist, die mit Gegenanschlägen (19, 20) eine Verdrehbegrenzung bilden.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (14, 15) der Kolben-Bohrungseinheit (66, 67) sich jeweils an einem Profilstück (9) abstützten, wobei die paarweise eingesetzten Kolben-Bohrungseinheiten (66, 67) zueinander entgegengesetzt wirkend angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Bohrungseinheiten (66, 67) so im Kol­ benträger (6) eingebracht sind, daß ein Krümmungsmittelpunkt in jeder Kolbenstellung weitestgehend mit der Kolbenachse übereinstimmt.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (14, 15) mit Kolbenringen (30) versehen sind, die ein zu den Bohrungen (21, 22) definiertes Spiel aufweisen.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (1) einen Gehäusedeckel (36) aufweist, in dem der Kolbenträger (6) gelagert ist und der weiter als Trägerteil dient.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmittelführung durch den Gehäusedeckel (36) über die Lagerung des Kolbenträgers (6) und die Verbindungsbohrungen bzw. Verbindungsleitun­ gen zu den Kolben-Bohrungseinheiten (66, 67) erfolgt.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Zahnriemenrad (7) wirkende, mit wechsel­ seitig positiven und negativen Kraftanteilen versehene Umfangskraft Einfluß nimmt auf die Betätigung des Schaltventils (47).

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch betätigtes Schaltventil (47a) eingesetzt ist, das mit Sensoren (69, 70) einer Meßwertaufbereitung (71) sowie einem Stellglied in Verbindung steht.