DE4229201C2

DE4229201C2 - Vorrichtung zum Verstellen der Nockenwellen-Steuerzeiten

Info

Publication number: DE4229201C2
Application number: DE19924229201
Authority: DE
Inventors: Peter Tenberge; Eduard Golovatai-Schmidt
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: DE4229201A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine stufenlose Winkelverstellung zwischen einem angetriebenen Nockenwellenrad und einer anzutreibenden Nockenwelle einer Brennkraftmaschine.

Die in Brennkraftmaschinen eingesetzten Nockenwellen betätigen die Gas wechselventile entsprechend dem Profil ihrer Nocken. Feste Ventilsteuerzeiten sind ein Kompromiss, vor allem hinsichtlich der Anforderungen an Nennleis tung, Drehmoment, Verbrauch und Abgasemission. Zur Optimierung der Steu erzeiten ist es bekannt, mittels einer Vorrichtung eine Winkelverstellung bzw. Phasenverschiebung der Steuerzeiten vorzunehmen, d. h. die Stellung der Nockenwelle im Verhältnis zur Kurbelwelle um einen bestimmten Kurbelwinkel zu verschieben.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 5,107,804 A bekannt. Dabei ist in axialer Verlängerung der Nockenwelle die Vorrichtung angeordnet, die zumindest teilweise in das Antriebsrad der Nockenwelle eingefügt ist. Die Vorrich tung umfasst keinen federbelasteten Anschlag, der eine Zwischenstellung des Schaltventils ermöglicht.

Aus der DE 39 42 052 A1 ist ein Stellelement mit einem hydraulisch schaltbaren Freilauf zum Verstellen der Steuerzeiten einer Brennkraftmaschi ne bekannt. Der Freilauf ist in axialer Verlängerung der Nockenwelle angeordnet und an das Druckumlauf-Schmiersystem der Brennkraftmaschine angeschlossen, wo bei das Druckmittel über ein drehzahl- bzw. lastabhängig betätigbares Schalt ventil zugesteuert werden kann. Nachteilig ist, dass diese Vorrichtung Mecha nismen benötigt, um den Verstellvorgang zu aktivieren, die mit spielbehafteten Verzahnungselementen versehen sind und die aufgrund der Wechselmomente einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind und eine hohe Geräuschentwicklung verursachen.

Die bekannten Vorrichtungen erfordern zur wirksamen Funktion einen relativ großen Druckmittelstrom, wodurch die Versorgung anderer Verbraucher der Brennkraftmaschine, insbesondere beim Schaltvorgang der Vorrichtung, be nachteiligt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die das ungleichförmige Drehmoment der Nockenwelle zur Verstellung ausnutzt, 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 Nockenwellen verstellung geschaffen werden, die bauraumoptimiert einschließlich der erfor derlichen 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 arbeiten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmaie des Anspruchs 1 gelöst.

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

Die Anordnung des Stellelementes innerhalb einer Welle bewirkt vorteilhaft eine kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung, die vor teilhaft eine unmittelbare, kostengünstige Druckmittelführung innerhalb der Verstellvorrichtung erlaubt und weiter eine einfache Montage ermöglicht. Die Anordnung begünstigt weiterhin ein schnelles Ansprechen, d. h. eine schnelle 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 Druckmitteldurchsatz erfordern, verlangt die vorliegende Erfindung nur einen am Schaltventil anste henden Steuerdruck, und keinen Volumenstrom, da das Druckmittel zwischen den zwei Kolben-Bohrungseinheiten wechselseitig ausgetauscht wird. Damit ergibt sich keine nachteilige Belastung der Druckumlaufschmierung der Brenn kraftmaschinen aufgrund eines hohen Ölstromvolumens, der für die Betätigung der Verstellvorrichtung abgezweigt werden müsste. Aufgrund der wechselseiti gen Druckbeaufschlagung zumindest einer Kolben-Bohrungseinheit ist ständig eine kraftschlüssige spielfreie Verbindung zwischen den beiden zu verdrehen den Wellen gegeben, wodurch sich vorteilhaft ein geräuscharmer Antrieb ein stellt, der dazu verschleißarm arbeitet und eine hohe Lebensdauer sicher stellt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen 2 bis 18 beschrieben.

Zur genauen Positionierung sieht Anspruch 1 einen federbelasteten Anschlag vor, der größere Steuerdruckbereiche in den drei Hauptstellungen des Schalt ventils ermöglicht. Vorteilhaft weist die Mittelstellung den federbelasteten An schlag auf.

Durch eine feinfühlig ausgelegte Regelung für die Betätigung des Schaltventils kann die Einhaltung der Mittelstellung weiter verbessert werden sowie zur Er reichung einer stufenlosen Regelung für jede Zwischenposition das Schaltven til gehalten werden.

Gemäß Anspruch 2 ist das Schaltventil als ein 4/3-Wegeventil ausgebildet und koaxial von einer als Kolbenträger ausgebildeten Welle umgeben, in der die Kolben-Bohrungs-Einheiten angeordnet sind. Das einseitig federkraftbeauf schlagte Schaltventil ist durch eine steuerbare Kraft betätigbar, z. B. durch ein gesteuerten Druck aus dem Schmierölkreislauf einer Druckumlaufschmierung eines Motors, mit dem das Schaltventil verschiebbar ist.

Nach Anspruch 3 der vorliegenden Erfindung ist der Kolbenträger zentrisch mit einer Ausnehmung für das Schaltventil versehen, dem ringförmig im Kolbenträ ger eingebrachte Kolben-Bohrungs-Einheiten zugeordnet sind. Der Kolbenträ ger ist weiter einseitig mit einem Endstück versehen, das auf der Nockenwelle geführt und kraftschlüssig mit ihr verbunden ist.

Das Schaltventil sieht gemäß Anspruch 4 einen Druckraum an einem Ende des Schaltventils vor, der von Druckmittel beaufschlagt wird, an den sich ein Zwi schenraum 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 angeordnet ist.

Nach Anspruch 5 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-Bohrungs- Einheiten gekoppelt sind, die erfindungsgemäß paarweise im Kolbenträger angeordnet sind, wobei benachbarte Kolben-Bohrungs-Einheiten jeweils in eine entgegengesetzte Richtung wirken. Vorteilhaft ergibt sich durch diese Gestaltung aufgrund der federkraftbeaufschlagten Rückschlagventile und des über kurze Verbindungswege übertragbaren Steuerdrucks bzw. Schaltdrucks auf die Kolben-Bohrungs-Einheiten eine vorteilhafte schnelle Verdrehung der in Antriebsverbindung stehenden Wellen.

Nach Anspruch 6 ermöglicht das erfindungsgemäße Schaltventil drei definierte Schaltpositionen, die sich bei drei Steuerdruckbereichen einstellen. Der erfin dungsgemäße Aufbau sieht dazu federbelastete Anschläge vor, wobei durch Federkraft das Schaltventil in der Neutralstellung, d. h. zum Beispiel im Ruhe zustand der Brennkraftmaschine, an einer Stirnfläche des Kolbenträgers an liegt. Bei Erreichen eines Steuerdrucks des Druckmittels, der größer ist als die Kraft der Druckfeder, kommt es zu einer Axialverschiebung des Schaltventils bis an einen Anschlag, der federnd ausgelegt ist und der einen weiteren Stell weg des Schaltventils erst dann zulässt, wenn eine weitere Erhöhung des Schaltdrucks erfolgt. Damit nimmt das Schaltventil drei stabile Positionen ein, bei denen klar definierte Druckverhältnisse vorherrschen.

In weiterer Ausgestaltung ist nach Anspruch 7 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 8 ist vorgesehen, dass der Druckmittelfluß so ausgelegt ist, dass ausschließlich ein leckagebedingter Verlust des Druckmittels ausgegli chen wird und damit die erfindungsgemäße Vorrichtung nur eine Teilmenge der Druckumlaufschmierung eines Motors für eine funktionsgerechte Arbeitsweise verlangt.

Dazu ist gemäß Anspruch 9 vorgesehen, dass durch ein Betätigen des Schalt ventils ein Druckmittelfluss von einer Kolben-Bohrungs-Einheit in die benach barte Kolben-Bohrungseinheit erfolgt oder das Druckmittel, das während der Stellbewegung des Schaltventils verloren geht, systembedingt ausgeglichen wird.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 10 der Kolbenträger mit radialen Aussparungen versehen, in die Profilstücke ragen, welche drehfest mit einem den Kolbenträger umschließenden Zahnriemenrad verbunden sind. Diese Bauweise bewirkt weiter eine aufgabengerechte, kompakte Bauweise der Vorrichtung.

Gemäß Anspruch 11 ist der Kolbenträger zum Zahnriemenrad in Umfangsrich tung um einen Betrag, der dem Verstellwinkel des Nockenwellenverstellers entspricht, verdrehbar. Zur Erreichung einer Verdrehbegrenzung ist der Kol benträger sowie das Zahnriemenrad in jede Drehrichtung zeigend mit einem Anschlag und einem zugehörigen Gegenanschlag versehen. Vorteilhaft sind die Kontaktflächen aller Anschläge elastisch bzw. federnd ausgebildet bzw. mit einem geräuschdämpfenden Material versehen, um eine geräuscharme Gestal tung der Verdrehbegrenzung zu erreichen.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht nach Anspruch 12 vor, dass sich die Kolben der Kolben-Bohrungs-Einheiten an einem Profilstück abstüt zen. Die Bohrungen, in denen die Kolben geführt sind, befinden sich jeweils im Kolbenträger. Diese Bauweise unterstützt ebenfalls die kompakte Bauart der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung. Die paarweise eingesetzten Kolben- Bohrungs-Einheiten sind dabei so angeordnet, dass benachbarte Einheiten je weils entgegengesetzt wirken. Zur Erreichung einer größeren Stellkraftübertra gung ist erfindungsgemäß weiter die Anordnung von mehreren, paarweise ein gesetzten Kolben-Bohrungs-Einheiten im Kolbenträger vorgesehen.

Weiterhin ist gemäß Anspruch 13 die Anordnung der Kolben-Bohrungs- Einheiten im Kolbenträger so vorgesehen, dass ein Krümmungsmittelpunkt des Profilstückes in jeder Kolbenstellung weitestgehend mit der Kolbenachse über einstimmt. Dazu sind die Bohrungen so zu den Wirkflächen des Profilstückes angeordnet, dass der Krümmungsmittelpunkt der Wirkfläche in jeder Zwischen stellung 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 14 sind die Kolben der Kolben-Bohrungs-Einheiten mit Kol benringen versehen, die ein zu den Bohrungen definiertes Spiel aufweisen. Damit ergibt sich eine definierte geringe Leckage, die vorteilhaft den Druck mittelkreislauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung schnell entlüftet und wei testgehend inkompressible Druckmittelsäulen bewirkt.

Die konstruktive Gestaltung nach Anspruch 15 sieht einen Gehäusedeckel vor, in dem der Kolbenträger gelagert ist, wobei der Gehäusedeckel weiter als Trä gerteil z. B. zur Aufnahme des Steuerventils dient und mit Steuerbohrungen versehen werden kann zur Vermeidung von außenliegenden separaten Leitun gen. Vorteilhaft kann so beispielsweise das über eine Bohrung im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine geleitete Schmieröl durch den Gehäusedeckel ge führt werden.

Zur gezielten Druckmittelführung ist gemäß Anspruch 16 vorgesehen, neben den im Gehäusedeckel angeordneten Steuerbohrungen das Druckmittel 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 Kol ben-Bohrungs-Einheiten zuzuführen. Diese Druckmittelführung erfordert vor teilhaft geringe Abdichtungen und eine direkte strömungsgünstige und damit verlustarme Übertragung.

Nach Anspruch 17 wird das Zahnriemenrad von einer Umfangskraft mit wech selseitig positiven und negativen Kraftanteilen beaufschlagt, wobei diese Wechselwirkung auf die Kolben der Kolben-Bohrungs-Einheit wirkt. Die im Be triebszustand der Brennkraftmaschine wirkende Umfangskraft weist einen hochdynamischen zeitlichen Verlauf auf, mit zeitlich wechselnden positiven und negativen Kraftanteilen.

Schließlich ist nach Anspruch 18 ein elektrisch betätigbares Schaltventil vorge sehen. 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 hydrauli schen Freilaufs auf die sich wechselnden Kraftrichtungen der Umfangskraft erfordert. Erfindungsgemäß sieht die Erfindung Kraftsensoren im Bereich der Bohrungen der Kolben-Bohrungs-Einheiten vor, deren Signale einer Messwert aufbereitung übertragen werden. Über ein der Messwertaufbereitung nachge ordnetes Stellglied erfolgt die Betätigung des Schaltventils.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen mit den zu gehörigen Figurenbeschreibungen verwiesen, in denen ein Ausführungsbei spiel der Erfindung weiter verdeutlicht wird. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Vor richtung für eine Winkelverstellung zwischen einem ange triebenen Nockenwellenrad und einer anzutreibenden No ckenwelle;

Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung die in einem Zahnrie menrad eingebrachten Kolben-Bohrungs-Einheiten, 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 Hydraulik schema.

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 zylindri schen 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 mit mehreren radial nach innen ragenden Profilstücken 9 versehen, die jeweils zwei kreissegmentförmig ge staltete Wirkflächen 10, 11 aufweisen sowie eine Umfangsfläche 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 vorgesehen, die eine Verbindung zwischen den Profilstücken 9 und dem dazu drehbar angeordneten Kolbenträger 6 herstellen. 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 ei nem Gegenanschlag 19, 20, angebracht am Kolbenträger 6, eine Verdrehbe grenzung 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 bzw. 15 und eine Bohrung 21 bzw. 22 bilden jeweils eine Kolben-Bohrungs- Einheit 66 bzw. 67. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind jeweils im radialen Fort satz 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 getrennte Kolbenzylindereinheiten, mit denen eine Relativverstellung zwischen dem Kol benträger 6 und dem Zahnriemenrad 7 erreichbar ist. Zur Druckmittelbeauf schlagung der Kolben 14, 15 dienen radial im Kolbenträger 6 eingebrachte Bohrungen bzw. Verbindungsleitungen, die von einer zentrisch angeordneten Längsbohrung 26 ausgehen. Die Verbindungsbohrung 23, 24 ist dabei so an geordnet, dass sie jeweils die zugehörige Bohrung 21, 22 schneidet. Weitere im Kolbenträger 6 eingebrachte Querbohrungen dienen dazu, die Verbin dungsbohrung 23 mit Verbindungsbohrungen 28 zu koppeln, die von einer Flä che 29 ausgehend im Kolbenträger 6 eingebracht sind. Zur wirkungsvollen Abdichtung aller Verbindungs- und Querbohrungen sind diese einseitig z. B. durch eine Verschlusskugel 73 verschlossen. Zur Verminderung bzw. zur Er reichung 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 End stück 5 des Kolbenträgers 6 über eine Stirnfläche 32 und eine Zwischenschei be 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 und Einem mit dem Zylinderkopf 3 verschraubten Gehäusedeckel 36 ein Radial-Axialgleitlager 35. Weiter übergreift der Gehäusedeckel 36 in Richtung des Zahnriemenrades 7 zeigend axial und radial eine Ringschulter 38, die Bestandteil eines Gehäuse deckels 39 ist. Einen radialen Abstand im Bereich der Überdeckungszone zwi schen dem Gehäusedeckel 36 und der Ringschulter 38 gleicht eine Dichtung 37 aus. Das Zahnriemenrad 7 ist stirnseitig mit einem ebenfalls die Verstellvor richtung 1 abdeckenden Abschlussdeckel 8 versehen.

Eine Druckmittelversorgung der Verstellvorrichtung 1 erfolgt über eine Bohrung 40 im Zylinderkopf 3, die mit einer Steuerbohrung 41 korrespondiert, die im Gehäusedeckel 36 verläuft und mit einem Steuerventil 42 verbunden ist. Die Steuerbohrung 41 mündet in eine Umlaufnut 43 im Endstück 5, die verbunden ist mit einer in axialer Richtung im Endstück 5 verlaufenden Verbindungsboh rung 44, welche bis zur vorderen Stirnfläche 45 des Endstückes 5 reicht, wobei über eine schräge Anfasung der vorderen Stirnfläche 45 eine unmittelbare Verbindung zu einem Druckraum 46 im Innenraum des Kolbenträgers 6 be steht, der seitlich von einem Schaltventil 47 und dem Endstück 5 begrenzt ist. Gegenüberliegend zum Druckraum 46 liegt am Schaltventil 47 eine Druckfeder 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 Stellbewe gung 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, vorde ren Anschlag und einen inneren hinteren Anschlag. Eine Ventilfeder 51, einge setzt zwischen dem Abschlussdeckel 8 und dem inneren Anschlag der An schlagbuchse 50, bewirkt, daß sich der äußere Anschlag am Deckel 49 ab stützt.

Das Schaltventil 47 weist zwei federbelastete Rückschlagventile 52, 53 auf, die axial hintereinander in der verlängerten Nockenwellenachse angeordnet sind. Dabei verschließt das Rückschlagventil 52 den Druckraum 46 gegenüber ei nem Zwischenraum 54 und das Rückschlagventil 53 den Zwischenraum 54 gegenüber einem Hochdruckraum 55. Das Schaltventil 47 ist mit seiner Um fangsfläche 56 in der Längsbohrung 26 des Kolbenträgers 6 geführt. Auf der Umfangsfläche 56 weist das Schaltventil 47 zwei Umlaufnuten 57, 58 auf, die zueinander den gleichen axialen Abstand aufweisen wie die in die Längsboh rung 26 des Kolbenträgers 6 eingebrachten Umlaufnuten 59, 60, 61, die ab hängig von der Schaltposition des Schaltventils 47 miteinander korrespondie ren. 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 Ausgangsposition, die sich bei stillstehender Brennkraftmaschine ergibt bzw. bei einer Schaltposi tion des Steuerventils 42, die den Druckmittelstrom 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 Beauf schlagung 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 einge brachte Steuerdruck weiter erhöht werden zur zusätzlichen Überwindung der Kraft der Ventilfeder 51. Eine Stellwegbegrenzung erfolgt bei Anlage der An schlagbuchse 50 am Abschlussdeckel 39.

Die Fig. 3 verdeutlicht das Zusammenspiel der Ventilfedern 48, 51 in Verbin dung mit dem Versorgungsdruck, mit dem das Schaltventil 47 über den Druck raum 46 beaufschlagt wird. Bei stillstehender Brennkraftmaschine oder ge schaltetem Steuerventil 42 ist die Steuerbohrung 41 verschlossen, wodurch der Druck in der Verbindungsbohrung 44 zusammenbricht, mit der Folge, dass die Ventilfeder 48 das Schaltventil 47 an die vordere Stirnfläche 45 in die Anfangs position XA verschiebt. Nach erfolgtem Start der Brennkraftmaschine oder ge schaltetem Steuerventil 42 ist die Steuerbohrung 41 offen, dabei werden die Ver bindungsbohrungen bzw. Verbindungsleitungen zum Druckraum 46 mit Druck mittel gefüllt, verbunden mit einem Druckaufbau. Bei einem Druck P1 besteht wie in Fig. 3 dargestellt ein Gleichgewicht zwischen der Druckkraft im Druck raum 46 und der Federkraft der Ventilfeder 48. Bei steigendem Druck wird das Schaltventil 47 axial verschoben, bis es bei einem Druck P2 an der Anschlag buchse 50 anliegt und damit die Mittelposition XM einnimmt. Bei weiter stei gendem 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 Ab schlussdeckel 8 anliegt und dort auch bleibt bei einer weiteren Druckerhöhung. Diese Schaltventilposition entspricht der Endposition XE. Das Diagramm ge mäß 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" an dem Zahnriemenrad 7 infol ge Drehschwingungen der Nockenwelle, also ständig wechselnden positiven und negativen Ausschlägen, verdeutlicht 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 Schmierölpumpe für die Druckumlaufschmierung einer Brennkraftmaschine, fördert dabei das Druck mittel zum Steuerventil 42. In der federbelasteten Grundstellung ist der durch das Steuerventil 42 fließende Ölstrom ausreichend zur Versorgung des Radial- Axial-Gleitlagers 35 sowie zur Füllung aller Verbindungsleitungen bzw. Verbin dungsbohrungen zum Schaltventil 47, einschließlich des Druckraumes 46. Da bei wird jedoch der Druck P1 nicht überschritten, damit das Schaltventil 47 in der Position XA verharrt. Das Radial-Axial-Gleitlager 35 wird parallel dazu noch über eine weitere Leitung versorgt, die vor dem Steuerventil 42 abzweigt. Das durch das Steuerventil 42 geleitete Druckmittel bzw. Schmieröl dient gleichzei tig neben der Betätigung für das Schaltventil 47 als Versorgungsdruck für die Verstellvorrichtung 1. Das Schaltventil 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 unter halb von P1, damit die Umlaufnuten 57, 58 sowie alle damit angeschlossenen Leitungen einschließlich 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 Leckage raum 68 (Fig. 1) und 68a, von wo aus das Leckage-Öl in den Ölsumpf abflie ßen kann.

Wirkungsweise der Verstellvorrichtung

Die während des Fahrbetriebes am Zahnriemenrad 7 wirkende Umfangskraft "F" weist einen hochdynamischen zeitlichen Verlauf auf mit zeitlich wechseln den positiven und negativen Kraftanteilen. Wirkt in der in Fig. 5 dargestellten Position des Schaltventils 47, das in der Position XA verharrt, 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. Verringert 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 Kolbens 15 verschließt das aus der Bohrung 22 austretende Druckmittel das Rück schlagventil 53, so dass die momentane Stellung der Kolben 14, 15 unverän dert bleibt. Am Kolben 15 auftretende Leckagen werden kompensiert durch ein Nachströmen 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 ausfährt und sich damit der Kolbenträger 6 relativ zum Zahnriemenrad 7 nur in eine Richtung verdreht.

In der Schaltventilstellung XE wird ein Kraftverlauf mit einer entgegengesetzten Relativbewegung bewirkt. Dagegen werden in der Schaltstellung XM die Zu leitungen zu den Kolben 14, 15 verriegelt und damit das Zahnriemenrad 7 hyd raulisch 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 Zahn riemenrad 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. 5 dargestellten Position des Schaltventils 47 fährt der Kolben 14 so weit in die Bohrung 21 ein, bis der Anschlag 17 am Gegenanschlag 19 anliegt. Zur Vermeidung einer Geräuschentwicklung und Verringerung des Verschleißes sind die Anschläge 17, 18 wie auch die Gegenanschläge 19, 20 elastisch ausge führt. Wirkt die Kraft "F" auf den Anschlag, dann federt dieser 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 et was aus, bleibt aber in Kontakt zum Gegenanschlag.

Das Hydraulikschema gemäß Fig. 6 ist geeignet, um bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine verbunden mit hochfrequenten Wechselbeanspru chungen der Kolben 14, 15 für eine angepasste schnelle Reaktion der Verstell vorrichtung 1 zu sorgen. Um die Einflussnahme, bzw. die Reaktionszeiten zu verbessern, ist das Schaltventil 47a als ein Proportionalventil ausgelegt, das unmittelbar über eine Leitung mit der Pumpe 62 verbunden ist, die nur unter brochen 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 zuleiten zur Betätigung des Schaltventils 47a über ein Stellglied 72. Ein leckagebedingtes 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 Radial-Axial-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

Abschlussdeckel

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

Zwischenscheite

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-Bohrungs-Einheit

67

Kolben-Bohrungs-Einheit

68

Leckageraum

69

Sensoren

70

Sensoren

71

Messwertaufbereitung

72

Stellglied

73

Verschlusskugel

Claims

1. Vorrichtung (1) für eine stufenlose Winkelverstellung zwischen einem Nocken wellenrad (7) mit einer Nockenwelle (2) einer Brennkraftmaschine, wobei zwi schen dem Nockenwellenrad (7) und der Nockenwelle (2) ein von einem Druckmittel beaufschlagbares Stellelement (47, 52, 53) vorhanden ist, und ein durch Bohrungen (21, 22) und Verbindungsleitungen (23, 24) geleiteter und steuerbarer Druckmittelfluss vorgesehen ist, wobei ein Schaltventil (47) mit zu mindest einem Rückschlagventil (52, 53) das Stellelement bildet, das in einer drehfest mit der Nockenwelle (2) verbundenen Welle (5, 6) axial verschiebbar ist und zumindest zwei Leitungen bzw. Stichbohrungen (64, 65) aufweist, über die eine gegenseitige Druckmittelversorgung zwischen zumindest zwei Kolben- Bohrungs-Einheiten (66, 14, 21; 67, 15, 22) erfolgt, und wobei zumindest ein fe derbelasteter (51) Anschlag (50) eine Zwischenstellung des Schaltventils (47) sicher stellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei als Schaltventil (47) ein 4/3-Wegeventil vorgesehen ist, das von der als Kolbenträger (6) für die Kolben-Bohrungs- Einheiten (66, 14, 21; 67, 15, 22) ausgebildeten Welle (5, 6) koaxial umgeben ist, und das einerseits mittels einer Ventilfeder (48) federkraftbeaufschlagt ist und andererseits von einer steuerbaren Kraft, dem Druckmittel beaufschlagt wer den kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, deren Kolbenträger (6) eine zentrische Ausneh mung bzw. Längsbohrung (26) für das Schaltventil (47) aufweist, dem die ringförmig im Kolbenträger (6) angeordneten Kolben-Bohrungs-Einheiten (66, 14, 21; 67, 15, 22) zugeordnet sind, wobei der Kolbenträger (6) einseitig ein Endstück (5) aufweist, das auf der Nockenwelle (2) geführt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schaltven til (47) einen Druckraum (46) aufweist, an den sich ein Zwischenraum (54) an schließt und dass ein Hochdruckraum (55) dem Zwischenraum (54) nachge ordnet ist, wobei diese drei Räume (46, 54, 55) jeweils durch ein sich in Rich tung des nachfolgenden Raumes öffnendes Rückschlagventil (52, 53) getrennt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die beiden Leitungen (64, 65) in dem Schaltventil (47) eine Verbindung zwischen den zentrisch im Schaltventil (47) angeordneten drei Druckräumen (46, 54, 55) und Umlaufnuten (57, 58) schaf fen, die auf der Mantelfläche des Schaltventils (47) eingebracht sind und über die Druckmittelfluss-Verbindungsleitungen (23, 24) mit Druckmittelfluss-Bohrungen (21, 22) der Kolben-Bohrungs-Einheiten (66, 14, 21; 67, 15, 22) gekoppelt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der für das Schaltventil (47) drei definierte Schaltpositionen XA, XM, XE vorgesehen sind, die sich bei drei Steuerdruckbereichen p ≦ P₁; P₂ ≦ p ≦ P₃; p ≧ P₄ einstellen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Schalt ventil (47) ein Steuerventil (42) vorgeschaltet ist, mit dem der Druckmittelfluss zum Schaltventil (47) gesteuert werden kann.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druckmit telfluss so ausgelegt ist, dass ein leckagebedingter Verlust ausgeglichen wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Betätigen des Schaltventils (47) einen Druckmittelfluss von einer Kolben-Bohrungs- Einheit (14, 21) in die andere Kolben-Bohrungs-Einheit (15, 22) oder einen umgekehrten Druckmittelfluss ermöglicht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, deren Kolbenträger (6) radiale Aussparungen (16) aufweist, in die jeweils ein Profilstück (9) ragt, welches drehfest mit dem den Kolbenträger (6) umschließenden Nockenwellenrad (7) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Kolbenträger (6) zum Nockenwellen rad (7) in Umfangsrichtung verdrehbar ist, das mit Anschlägen (17, 18) versehen ist, die mit Gegenanschlägen (19, 20) am Kolbenträger (6) eine Ver drehbegrenzung bilden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder nach Anspruch 11, wobei die Kolben (14, 15) der Kolben-Bohrungs-Einheiten (66, 67) sich jeweils an einem Profilstück (9) abstützen und die paarweise eingesetzten Kolben-Bohrungs-Einheiten (66, 67) zueinander entgegengesetzt wirkend angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, deren Kolben-Bohrungs- Einheiten (66, 67) so im Kolbenträger (6) eingebracht sind, dass ein Krüm mungsmittelpunkt eines Profilstückes (9) in jeder Kolbenstellung weitestgehend mit der Kolbenachse übereinstimmt.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kolben (14, 15) der Kolben-Bohrungs-Einheiten (66, 67) mit Kolbenringen (30) versehen sind, die ein zu den Bohrungen (21, 22) definiertes Spiel aufweisen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Vorrichtung (1) einen Gehäusedeckel (36) aufweist, in dem der Kolbenträger (6) gelagert ist, und wobei der Gehäusedeckel (36) als Trägerteil für ein dem Schaltventil (47) vorge schaltetes Steuerventil (42) dient.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Druckmittelfluss durch den Gehäu sedeckel (36), über die Lagerung (35) des Kolbenträgers (6) und die Verbindungs leitungen (23, 24) geführt ist und dann zu den Kolben-Bohrungs-Einheiten (66, 14, 21; 67, 15, 22) gelangt.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine an dem Nockenwellenrad (7) wirkende, mit wechselseitig positiven und negativen Kraftanteilen versehene Umfangskraft F auf die Kolben (14, 15) der Kolben- Bohrungs-Einheiten (66, 67) wirkt.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schalt ventil (47a) elektrisch betätigt ist und mit Sensoren (69, 70) einer Messwert aufbereitung (71) sowie einem Stellglied (72) in Verbindung steht.