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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Ventilsteuerung in Verbrennungsmotoren.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ändern der
Phasenbeziehung zwischen einer Nockenwelle und einem Nockenwellenantrieb.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Einige
moderne Motoren sind heutzutage mit veränderlichen Nockenverstellern
ausgerüstet.
Die Nockenversteller bewegen die Nockenlage relativ zur Kurbelwelle, üblicherweise
unter Verwendung von Öldruck
des Motors. Wenn der Öldruck
niedrig ist oder der Motor leerläuft,
kann sich der Nockenversteller nicht in die Voreilstellung bewegen,
da das mittlere Nockendrehmoment zu hoch ist, um von dem niedrigen Öldruck überwunden
zu werden. Wenn der Motor in diesem Zustand angehalten wird, würde sich der
Nockenversteller in der falschen Stellung befinden.
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Ein
weiteres Problem besteht darin, dass vorbekannte ölbetätigte Nockenversteller
nicht selbstsperrend sind. Die Phase der Nockenwelle relativ zum
Antrieb (Zahnriemen, Kette oder Zahnräder, die die Nockenwelle mit
der Kurbelwelle verbinden) bewegt sich daher ständig, was es schwierig macht, eine
korrekte Positionierung für
den Nockenversteller zu erzielen und einzuhalten.
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Ein
Beispiel eines Nockenverstellers, der nicht Hydraulikdruck verwendet,
ist Palmer's „Timing Device", U.S. Patent Nr.
1,691,408 vom 13. November 1928, welches ein manuell verstellbares
Nockenrad mit einem Schneckenrad zeigt, das durch einen Schraubenkopf
für einen
Verbrennungsmotor „fein abgestimmt" wird.
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Ein
anderes Beispiel ist Papez's „Controllable
Camshaft für
a Drive, Preferably an Internal Combustion Engine", U.S. Patent Nr.
4,517,934 vom 21. Mai 1985, welches einen Verstellmechanismus zeigt, der
von einem elektrischen Motor gespeist wird und ein Schneckenrad
für die
innere Kurbelwelle antreibt.
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Ein
drittes Beispiel ist Suga's „Valve
Timing Control Apparatus",
U.S. Patent Nr. 5,156,119 vom 20. Oktober 1992, welches zwei Schneckenräder zeigt,
die den Nockenversteller unter Verwendung von Motorleistung relativ
zur Kurbelwelle verstellen. Die Schnecken werden von einer axial
schaltenden Platte angetrieben, welche von aus dem Nockenversteller
vorstehenden Reibrädern
angetrieben wird. Die Reibräder
reiben an Reibscheiben, welche entweder vor oder hinter dem Nockenversteller
liegen, um die beiden Räder
in der einen oder anderen Richtung zu drehen. Ein Elektromagnet
zieht oder drückt gegen
die Lagerung der Reibscheiben, wodurch auf die eine oder andere
Weise gegen die beiden Räder gedrückt wird.
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Suga
et al. 's "Valve Timing Control
System for Internal Combustion Engine", U.S. Patent Nr. 5,203,291 vom 20.
April 1993 zeigt ein äußeres Gehäuse, das
innere Zähne
enthält,
welche von kleinen Zahnrädern
gedreht werden. Die kleinen Zahnräder werden von einem Zapfen
an dem spiralförmigen
Nocken angetrieben, welcher sich seinerseits auf der Zahnradwelle
befindet. Ferner sind zwei Anschlagstifte vorgesehen, um die Drehbewegung
des Zahnrades erforderlichenfalls zu behindern.
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Schiattino's „Automatic
Variator Valve Overlap or Timing and Valve Section", U.S. Patent Nr. 5,355,849
vom 18. Oktober 1994, zeigt ein Schneckenrad, das von einem elektrischen
Motor angetrieben wird, welcher eine verkeilte Welle dreht oder
verschiebt. Durch Drehen oder Verschieben der Welle wird die Nockenwelle
zum Ändern
der Zeitbeziehung bewegt.
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Pierik's „Planetary
Gear Phaser with Worm Electric Actuator", U.S. Patent Nr. 5,680,837 vom 28. Oktober
1997, zeigt ein Schneckenrad, das von einem elektrischen Motor außerhalb
des Nockenverstellers angetrieben wird. Das Schneckenrad dreht das
Sonnenrad des Nockenverstellers, was die Lage der Nockenwelle relativ
zur Kurbelwelle bewegt.
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William's „Device
for Controlling the Phased Displacement of Rotating Shafts", U.S. Patent Nr. 4,747,375
vom 31. Mai 1998 beschreibt ein Verfahren zum Drehen eines zweiten
Nockens, welches bewirkt, dass die elastischen plungerartigen Vorrichtungen
eine seitliche Kraft auf keilförmige
Ventile ausüben,
was eine Änderung
in dem Ventilhub und der Zeitsteuerung bewirkt.
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Die
veröffentlichte
US-Patentanmeldung US2001/0020460 „Apparatus for Adjusting a
Camshaft" beschreibt
einen Nockenversteller, der von einem Planetengetriebe bewegt wird,
unter Verwendung eines äußeren Gehäuses mit
einer Kettenrad-Außenseite
und einer Zahnrad-Innenseite.
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Die
veröffentlichte
US-Patentanmeldung US2001/0020461 „Apparatus for Adjusting a
Camshaft" verwendet
drei Schneckenräder
in einem Nockenversteller. Die Schneckenräder werden von sechs Elektromotoren
angetrieben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Nockenversteller zum Verstellen der Phasenbeziehung zwischen einer
Nockenwelle und einer Kurbelwelle. Der Nockenversteller besteht
aus einem äußeren Gehäuse mit
inneren und äußeren Zähnen und
einem inneren Gehäuse,
das mit der Nockenwelle verbunden ist. Die äußeren Zähne sind verbunden mit dem
Nockenantrieb, der Zahnkette, dem Zahnriemen oder den Zahnrädern. Eine
Schnecke, die an dem inneren Gehäuse
angebracht ist, kämmt
mit den inneren Zähnen
des äußeren Gehäuses. Das
Schneckenrad ist mit einem oder zwei Antriebsrädern verbunden, die durch Kontakt
mit stationären
Platten gedreht werden. Die Platten werden von elektromagnetischen
Spulen bewegt, um das Antriebsrad oder die Antriebsräder zu berühren, und drehen
sich dann in der einen oder anderen Richtung. Die Aktoren werden
von einer Steuereinheit des Motors aktiviert. Die Platten können konzentrisch
auf einer Seite des Nockenverstellers oder auf gegenüberliegenden
Seiten angebracht sein.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
eine Vorderansicht des Nockenverstellers einer variablen Nockensteuerung
(VCT) mit Schneckenrad gemäß der Erfindung
in einem Ausführungsbeispiel
mit einem doppelseitigen Steuersystem.
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2 zeigt
eine seitliche Schnittansicht des VCT-Nockenverstellers mit Schneckenrad
der 1 längs
der Linien 2-2 in 1.
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3 zeigt
eine Vorderansicht des VCT-Phasenverstellers mit Schneckenrad gemäß der Erfindung
in einem Ausführungsbeispiel
mit einer einseitigen Steuerung.
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4 zeigt
eine seitliche Schnittansicht des VCT-Nockenverstellers mit Schneckenrad
der 1 längs
der Linien 4-4 in 3.
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5 zeigt
eine Vorderansicht des Phasenverstellers einer Variablen Nockensteuerung
(VCT) mit Schneckenrad gemäß der Erfindung
in einem anderen Ausführungsbeispiel.
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DETAILIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird auf die 1 bis 5 Bezug
genommen. Ein Verbrennungsmotor hat eine Kurbelwelle, welche durch
die Pleuelstangen der Kolben angetrieben wird, und eine oder mehrere
Nockenwellen 17, die die Einlass- und Auslassventile an
den Zylindern betätigen.
Das Zahnrad an der Nockenwelle 17 ist mit der Kurbelwelle
mittels eines Zeitsteuerantriebs wie z. B. einer Kette 11,
wie sie in den Figuren dargestellt ist, oder einem Riemen oder Zahnrädern verbunden.
Wenngleich nur eine Nockenwelle 17 in den Figuren dargestellt
ist, versteht es sich jedoch, dass die Nockenwelle die einzige Nockenwelle
eines Motors mit nur einer Nockenwelle, entweder der Bauart mit
obenliegender Nockenwelle oder mit im Block angeordneter Nockenwelle
oder eine von zwei Nockenwellen (die das Einlassventil betätigende
Nockenwelle oder die das Auslassventil betätigende Nockenwelle) eines
Motors mit zwei Nockenwelle oder einer von vier Nockenwellen eines
V-Motors mit obenliegenden Nockenwellen, zwei für jede Zylinderbank, sein kann.
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In
einem variablen Nockensteuersystem (VCT-System) ist das Zahnrad
an der Nockenwelle 17 durch eine winkelveränderliche
Kupplung ersetzt, die als „Nockenversteller" 25 bekannt
ist. Der Nockenversteller hat einen Rotor, der mit der Nockenwelle 17 verbunden
ist, und ein Gehäuse,
das mit dem Zahnrad verbunden ist (oder dieses bildet), was ermöglicht,
dass sich die Nockenwelle 17 innerhalb von Drehgrenzen
unabhängig
von dem Zahnrad dreht, um die Phasenbeziehung der Nockenwelle 17 und
der Kurbelwelle zu ändern.
Der Ausdruck „Nockenversteller" 25, wie
er hier verwendet wird, umfasst das Gehäuse und den Rotor sowie sämtliche Teile
zum Steuern der relativen Winkellage des Gehäuses und Rotors, damit die
Zeitsteuerung der Nockenwelle 17 gegenüber der Kurbelwelle versetzt werden
kann. Bei Motoren mit mehreren Nockenwellen wären verständlicherweise vorzugsweise
ein Nockenversteller 25 an jeder Nockenwelle 17 vorgesehen,
wie dies im Stand der Technik bekannt ist.
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Die 1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das eine Steuerung verwendet, die als "doppelseitige Steuerung" bezeichnet wird.
Das innere Gehäuse 18 des
Nockenverstellers ist an der Nockenwelle 17 durch eine
Befestigungsplatte (26, 2) befestigt,
welche einen Innenraum 27 zur Aufnahme eines Teils des
Steuermechanismus hat, wie bei der Diskussion der 2 weiter
unten beschrieben wird. Die Außenseite
des äußeren Gehäuses 12 hat äußere Zähne 10 zur
Verbindung mit der Zeitsteuerkette 11. Das äußere Gehäuse 18 hat
ferner innere Zähne 9,
die mit der Schnecke 13 gekoppelt sind, welche von dem
Zahnrad 14 angetrieben werden kann. Das Zahnrad 14,
das einen kleineren Durchmesser als die Schnecke 13 hat,
steht unter einem „mechanischen
Nachteil" und ist
vorzugsweise kegelförmig
ausgebildet. Das Zahnrad 14 kämmt mit einem Zwischenzahnrad 15,
das ebenfalls vorzugsweise kegelförmig ausgebildet ist und das
seinerseits mit dem Antriebsrad 16 kämmt, welches an einer Seite
der Achse der Nockenwelle angebracht ist.
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Das
Zwischenzahnrad 15 und das Antriebsrad 16 bilden
einen „Winkelschnitt", um miteinander zu
kämmen,
wobei die Achsen der beiden rechtwinklig zueinander verlaufen, und
die Achse des Antriebsrades 16 verläuft parallel zur Achse der
Schnecke 13. Das Zwischenzahnrad 15 bildet ein
Mittel zur Drehverbindung des Antriebsrades 16 mit dem
Zahnrad 14 und somit mit der Schnecke 13. Für den Fachmann
ist ersichtlich, dass die Drehachse des Antriebsrades 16 senkrecht
oder parallel zu der der Schnecke 13 sein könnte oder
auch andere Anordnungen im Rahmen der Lehre der vorliegenden Erfindung
möglich
sind, sofern das Antriebsrad mit der Schnecke drehend verbunden
ist.
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Die
Schnecke 13, das Zahnrad 14, das Zwischenrad 15 und
das Antriebsrad 16 sind sämtlich an dem inneren Gehäuse 18 angebracht
und drehen sich mit der Nockenwelle 17. Das Antriebsrad 16 wird durch
einen doppeltseitigen Steuermechanismus betätigt, der in 1 weggelassen
ist, um den Mechanismus deutlicher darzustellen, und der im Schnitt
in 2 gezeigt ist.
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Da
das Antriebsrad 16 relativ zur Nockenwelle 17 achsenversetzt
angebracht ist und sich mit der Nockenwelle 17 dreht, ist
für den
Fachmann klar, dass, wenn eine stationäre Platte bei drehender Nockenwelle 17 mit
dem Antriebsrad 16 in Kontakt gebracht wird, das Antriebsrad
in eine Richtung, wenn die stationäre Platte vor dem Rad 16 angeordnet
ist, und in die andere Richtung, wenn die Platte hinter dem Rad 16 angeordnet
ist, gedreht wird. Dies ist das Funktionsprinzip des doppeltseitigen
Steuermechanismus des Ausführungsbeispiels
der 1 und 2.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen. Die doppeltseitige
Steueranordnung besteht aus einer Voreilplatte 25 und einer
Nachteilplatte 24, die durch eine Welle 28 verbunden
sind. Die Voreilplatte 25 und die Nacheilplatte 24 sind
auf gegenüberliegenden
Seiten des inneren Gehäuses 18 des
Nockenverstellers angeordnet, und die Welle 28 hat eine
ausreichende Länge,
so dass, wenn der Mechanismus durch Federn 20 zentriert
ist, weder die Platte 24 noch die Platte 25 das
Antriebsrad 16 berührt. Eine
Betätigungsplatte 23 verläuft von
der Nacheilplatte 24 nach vorne und radial nach außen und
ist mit der Steueranordnung so verbunden, dass, wenn die Betätigungsplatte 23 in
Vorwärtsrichtung
bewegt wird, die Voreilplatte 25 den hinteren Rand des
Antriebsrades 16 berührt,
wodurch es in eine Richtung gedreht wird. In gleicher Weise berührt die
Nacheilplatte 24, wenn die Betätigungsplatte 23 in
Rückwärtsrichtung
bewegt wird, den vorderen Rand des Antriebsrades 16, wodurch
es in der entgegengesetzten Richtung gedreht wird. Es versteht sich
für den
Fachmann, dass die Begriffe „Voreilen" und „Nacheilen" sich auf die Drehung
der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle beziehen, und in diesem
Kontext ist die Wahl von „Voreilen" oder „Nacheilen" für die Platten
willkürlich,
und die tatsächliche
Wirkung der Berührung
des Antriebsrades mit diesen Platten hängt von der Drehrichtung der
Nockenwelle und Kurbelwelle ab.
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Die
Betätigungsplatte 23 wird
von der Voreilspule 21 in Vorwärtsrichtung und von der Rückeilspule 22 in
Rückwärtsrichtung
gezogen, und zwar unter der Steuerung eines hier nicht dargestellten
Betriebssteuergerätes
des Motors, welches elektrischen Strom an einen der Aktoren oder
Spulen 21, 22 anlegt, um ihn bzw. sie anzuschalten
und die Betätigungsplatte 23 zu
bewegen. Wenn das Betriebssteuergerät das Einschalten der Voreilspule 21 signalisiert,
wird die Betätigungsplatte 23 in
Richtung auf die Spule 21 gezogen, was die Voreilplatte 25 in
Kontakt mit dem Antriebsrad 16 bewegt. Durch den Kontakt
zwischen der Voreilplatte 25 und dem Antriebsrad 16 wird
das Antriebsrad 16 in einer bestimmten Richtung gedreht,
was dann das mit dem Antriebsrad 16 kämmende Zwischenzahnrad 15 veranlasst,
sich relativ zur Richtung des Antriebsrades 16 zu drehen; dies
wiederum bewirkt, dass sich das Zahnrad 14 relativ zu dem
Zwischenzahnrad 15 dreht und die Schnecke 13 relativ
zu diesem dreht. Die Drehung der Schnecke 13 bewirkt eine
Verstellung und Vorwärtsbewegung
bzw. Voreilbewegung der Nockenwelle 17 relativ zur Kurbelwelle.
Wenn die Stromzuführung
zur Voreilspule 21 unterbrochen wird, können die Federn 20 den
Steuermechanismus wieder zentrieren und die Voreilplatte 25 außer Kontakt
mit dem Antriebsrad 16 bewegen. Der Nockenversteller bleibt
in dieser Stellung, bis es ein neues Signal von dem Betriebssteuergerät des Motors
gibt, um die Platten 24, 25 in eine andere Stellung
zu bewegen.
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Die 3 und 4 zeigen
ein anderes Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem ein „einseitiger" Steuermechanismus
verwendet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind zwei Antriebsräder 30 und 33 durch
die Welle 31 verbunden, welche senkrecht zur Achse der
Schnecke 13 verläuft.
Lager 32 halten die Ausrichtung der Welle 31 relativ
zu Schnecke 13 aufrecht. Das Antriebsrad 30 ist
vorzugsweise teilweise kegelförmig
ausgebildet und mit dem Zwischenzahnrad 15 verbunden, und
das Zwischenzahnrad ist mit dem Zahnrad 14 verbunden, wie
dies in dem vorstehenden Ausführungsbeispiel beschrieben
wurde. Das Antriebsrad 13 ist vorzugsweise nicht kegelförmig ausgebildet.
Die Antriebsräder 30 und 33 sind
auf gegenüberliegenden
Seiten der Achse der Nockenwelle 17 mit unterschiedlichem Abstand
zur Achse der Nockenwelle 17 angeordnet, so dass, wenn
das Antriebsrad 30 von einer stationären Rückeilplatte 44 an
der Vorderseite des Nockenverstellers berührt wird, die Welle 31 in
eine Richtung dreht und, wenn das Antriebsrad 33 durch
eine stationäre
Voreilplatte 41 außerdem
an der Vorderseite des Nockenverstellers berührt wird, die Welle 31 in der
entgegengesetzten Richtung dreht.
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Dadurch,
dass die Antriebsräder 30 und 33 in unterschiedlichen
Abständen
zu der Nockenwelle 17 angeordnet werden, können die
Voreilplatte 41 und die Nacheilplatte 44 als konzentrische
Ringe ausgebildet werden, die an der stationären Kettenabdeckung 43 durch
Bänder
oder Federn 42 angebracht sind. Eine Welle 40 hält die Ringe 41 und 44 in
ihrer zentralen Lage. Die Voreilplatte 41 wird nach innen
in Berührung
mit dem Antriebsrad 33 von der Voreilspule 21 gezogen,
und die Nacheilplatte 44 wird nach innen in Berührung mit
dem Antriebsrad 30 von der Nacheilspule 22 gezogen.
Wenn keine Spule aktiviert wird, bewegen die Bänder 42 die Platte
in eine neutrale Stellung zurück
(in der sie mit keinem Rad in Berührung stehen).
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Wegen
der unterschiedlichen Abstände
zu der Achse der Nockenwelle 17 differiert die Größe des „mechanischen
Vorteils" (des Übersetzungsverhältnisses)
der Räder 30 und 33 wie
auch die relative Drehgeschwindigkeit des rotierenden Nockenverstellers
bei unterschiedlichen radialen Abständen relativ zu den stationären Platten.
Um dies zu kompensieren, können
die Antriebsräder 30 und 33 mit
unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet werden.
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Die
Antriebsräder 30 und 33 verlaufen
in der Darstellung der 3 und 4 parallel
zueinander und sind durch eine Welle 31 verbunden. Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel,
wie es in 5 dargestellt ist, sind die
Antriebsräder 33 und 50 immer
noch parallel zueinander und durch eine Welle 31 verbunden;
die Welle 31 verläuft
jedoch parallel zur Achse der Schnecke 13. Das Antriebsrad 50 ist
vorzugsweise geradeverlaufend ausgebildet und kämmt mit einem vorzugsweise
geradlinig verlaufenden Zahnrad 51.
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Es
versteht sich somit, dass die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele
der Erfindung lediglich die Anwendung der Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
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Bezugnahme
auf Einzelheiten der dargestellten Ausführungsbeispiele soll nicht
den Schutzbereich der Ansprüche
einschränken,
die ihrerseits diejenigen Merkmale wiedergeben, die als wesentlich
für die
Erfindung angesehen werden.