EP0518898B1 - Antriebsvorrichtung für eine nockenwelle - Google Patents

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EP0518898B1
EP0518898B1 EP91904642A EP91904642A EP0518898B1 EP 0518898 B1 EP0518898 B1 EP 0518898B1 EP 91904642 A EP91904642 A EP 91904642A EP 91904642 A EP91904642 A EP 91904642A EP 0518898 B1 EP0518898 B1 EP 0518898B1
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Audi AG
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/34403—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using helically teethed sleeve or gear moving axially between crankshaft and camshaft
    • F01L1/34406—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using helically teethed sleeve or gear moving axially between crankshaft and camshaft the helically teethed sleeve being located in the camshaft driving pulley
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • F01L2001/0471—Assembled camshafts
    • F01L2001/0473—Composite camshafts, e.g. with cams or cam sleeve being able to move relative to the inner camshaft or a cam adjusting rod
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L2001/34486—Location and number of the means for changing the angular relationship

Definitions

  • the invention relates to a drive device for a camshaft according to the preamble of claim 1.
  • Such a drive device is described for example in DE-A 19 63 549.
  • the invention has for its object to provide a camshaft drive device of the generic type, the longitudinal extent of which is only extremely slightly greater than the longitudinal extent of a drive device without a camshaft adjusting device.
  • the switching element can be actuated hydraulically by a servomotor, for example in accordance with DE-A 19 63 549 mentioned at the beginning, in which part of the switching element forms a hydraulic piston.
  • a servomotor adjacent to the end of the camshaft facing away from the drive wheel and to connect the actuator of the servomotor to the shifting element by means of a shift rod passing through the camshaft.
  • the servomotor comes with a longitudinally installed internal combustion engine at a point in the engine compartment at which the bonnet rises towards the windshield, so that there is sufficient space for accommodating the servomotor.
  • Fig. 1 denotes the cylinder head of a valve-controlled reciprocating piston internal combustion engine, in which a camshaft 3 is supported via bearings 2, the cams of which actuate intake and / or exhaust valves, not shown, of the internal combustion engine.
  • a tubular extension 4 is screwed to the camshaft 3 by screws 4a, on which a drive wheel 5 is mounted, which is driven by the crankshaft of the internal combustion engine.
  • the holes 4b in the extension 4, through which the screws 4a extend, are designed as elongated holes in order to enable a basic setting of the camshaft 3 relative to the drive wheel 5.
  • a switching element 6 is used, which is non-rotatably connected to the drive wheel via a first pair of teeth 7, 9 and non-rotatably connected to the camshaft extension 4 via a second pair of teeth 8, 11.
  • the pairs of teeth 7, 9 and 8, 11 close different angles the longitudinal central axis of the camshaft 3.
  • the pair of teeth 7, 9 is designed as a straight toothing and the pair of teeth 8, 11 as a helical toothing.
  • the pair of teeth 7, 9 could also be designed as helical teeth and the pair of teeth 8, 11 as straight teeth.
  • axial displacement of the control element 6 causes the camshaft 3 to rotate relative to the drive wheel 5 and thus a change in the valve timing.
  • the axial displacement of the switching element 6 takes place with the aid of a servomotor 15 arranged at the other end of the camshaft 3, the actuator of which in the exemplary embodiment is a hydraulic piston 16 ', is connected to the switching element 6 by a switching rod 17 which penetrates a through hole 18 of the camshaft 3.
  • the switching element 6 is moved from one end position to the other by pressure loading one side of the actuating piston 16 and relieving the pressure on the other piston surface by means of a control slide 20 actuated, for example, by an electromagnet 19.
  • the switchover can take place as a function of operating parameters.
  • the switching rod 17 can be connected to the switching element 6 and to the actuating piston 16 such that they can move in an angular manner.
  • the servomotor 15 is connected in a rotationally fixed manner to the camshaft 3 in the exemplary embodiment.
  • an axial bearing for the camshaft which is required in a stationary servomotor for absorbing the axial actuating forces, is avoided.
  • the pressure medium supply and discharge to the right in FIG. 2 of the actuating piston 16 takes place via the camshaft bearing 2 'and a bore 21 in the camshaft 3 through the hollow shift rod 17 and the hollow screw 22, which connects the actuating piston 16 to the shift rod 17.
  • the pressure medium supply and discharge to or from the left side of the actuating piston 16 also takes place through the camshaft bearing 2 'and a second bore 23 in the camshaft and an annular space 24 between the shift rod 17 and the wall of the through bore 18.
  • a sleeve 25 is pressed into the through hole 18.
  • the switching element 6 is arranged in the tubular camshaft extension 4 and, as can be seen in particular in FIG. 3, the outer teeth 7 of the first pair of teeth and the outer teeth 8 of the second pair of teeth are alternately provided on its circumference.
  • the external toothing 7 is formed by straight toothing extending in the longitudinal direction of the camshaft 3
  • the external toothing 8 is formed by helical toothing sectors which are arranged between adjacent straight toothing sectors 7.
  • Corresponding internal helical gear segments 11 on the inner circumference of the tubular camshaft extension 4 engage with the helical gear sectors 8.
  • This camshaft extension 4 is provided between the segments 11 with openings 10, through which spokes 12 of the drive wheel 5 extend, which engage with the straight-toothed sectors 7 with their straight-toothed ends 9.
  • the spokes 12 are arranged in the openings 10 with such a large circumferential play that the desired angular adjustment of the camshaft 3 relative to the drive wheel 5 is made possible.
  • the helical toothing 7 of the switching element 6 has a larger pitch circle diameter than the straight toothing 8. This enables the helical toothing by hobbing as there is a side outlet for the milling tool.
  • Straight teeth can be made by broaching or butting.
  • the switching element can also be a sintered body in which at least the straight toothing is sintered.

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Abstract

Eine Antriebsvorrichtung für eine Nockenwelle (3) einer Brennkraftmaschine ist mit einer Einrichtung zur Verdrehung der Nockenwelle (3) relativ zu einem koaxialen Antriebsrad (5) versehen, die ein Schaltelement (6) aufweist, das über ein erstes Gerad-Verzahnungspaar (7, 9) mit dem Antriebsrad und über ein zweites Schräg-Verzahnungspaar (8, 11) mit der Nockenwelle (3) zusammenwirkt und durch einen Stellmotor axial verschoben werden kann. Die Verzahnungen der Verzahnungspaare zwischen dem Schaltelement (6) un dem Antriebsrad (5) einerseits und dem Schaltelement (6) und der Nockenwelle (3) andererseits sind in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet, d.h. einem Verzahungspaar zwischen Schaltelement (6) und Antriebsrad (5) folgt in Umfangsrichtung ein Verzahnunspaar zwischen Stellement (6) und Nockenwelle (3). Dadurch ergibt sich ein äußerst geringer Platzbedarf für die Nockenwellenverstellung.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für eine Nockenwelle entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Antriebsvorrichtung ist beispielsweise in der DE-A 19 63 549 beschrieben.
  • Eine Hauptforderung bei der Konstruktion derartiger sogenannter Verstell-Nockenwellen besteht darin, daß kein oder nur wenig zusätzlicher Raum gegenüber nicht verstellbaren Nockenwellen in Längsrichtung erforderlich ist, da sonst aufgrund der äußerst beengten Platzverhältnisse im Motorraum eines Kraftfahrzeuges die Unterbringung einer Brennkraftmaschine mit Verstell-Nockenwelle(n) oftmals nicht oder nur bei kostspieliger Änderung der Karosserie möglich ist. Bei der Antriebsvorrichtung gemäß der DE-A 19 63 549 ist der Raumbedarf für die Nockenwellenverstellung in Längsrichtung der Nockenwelle gegenüber anderen bekannten Lösungen (z.B. DE-C 33 16 162) bereits erheblich reduziert. Trotzdem ergibt sich dadurch, daß das Schaltelement die Stirnfläche des Antriebsrades bzw. des mit der Nockenwelle verbundenen Fortsatzes überdeckt, eine Vergrößerung der Länge des Nockenwellenantriebes in Nockenwellenlängsrichtung um die Dicke des Schaltelements und dessen Verstellweg.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nockenwellen-Antriebsvorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, deren Längserstreckung nur äußerst geringfügig größer ist als die Längserstreckung einer Antriebsvorrichtung ohne Nockenwellen-Verstelleinrichtung.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Durch die Anordnung der beiden Verzahnungspaare in Umfangsrichtung hintereinander und nicht, wie sonst üblich radial übereinander oder axial nebeneinander wird ein außerordentlich kleiner Bauraum für die Unterbringung der Nockenwellen-Verstelleinrichtung benötigt, so daß diese weitgehend innerhalb des Antriebsrades untergebracht werden kann. Daher läßt sich eine Brennkraftmaschine mit derartigen Verstell-Nockenwellen problemlos im Motorraum eines bestehenden Kraftfahrzeuges unterbringen, das wahlweise mit einer Brennkraftmaschine mit oder ohne Nockenwellen-Verstellung ausgestattet sein soll.
  • Das Schaltelement kann, wie bekannt, hydraulisch durch einen Stellmotor, beispielsweise entsprechend der eingangs genannten DE-A 19 63 549, betätigt werden, bei der ein Teil des Schaltelements einen hydraulischen Kolben bildet. Vorteilhafter ist es jedoch, den Stellmotor dem vom Antriebsrad abgewandten Ende der Nockenwelle benachbart anzuordnen und das Stellglied des Stellmotors mit dem Schaltelement durch eine die Nockenwelle durchsetzende Schaltstange zu verbinden. Dadurch kommt der Stellmotor bei längs eingebauter Brennkraftmaschine an eine Stelle im Motorraum, an welcher die Motorhaube zur Windschutzscheibe hin ansteigt, so daß genügend Platz für die Unterbringung des Stellmotors vorhanden ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
    • Fig. 1
    einen Teil-Längsschnitt eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine in einer waagrechten, durch eine Nockenwelle gelegten Ebene,
    Fig. 2
    einen Schnitt des Nockenwellenantriebs entlang Linie 2-2 in Fig. 1, und
    Fig. 3
    eine perspektivische Darstellung des Schaltelements.
  • In Fig. 1 ist mit 1 der Zylinderkopf einer ventilgesteuerten Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, in dem über Lager 2 eine Nockenwelle 3 gelagert ist, deren Nocken nicht gezeigte Einlaß- und/oder Auslaßventile der Brennkraftmaschine betätigen. An ihrem in Fig. 1 linken Ende ist an die Nockenwelle 3 durch Schrauben 4a ein rohrförmiger Fortsatz 4 angeschraubt, auf dem ein Antriebsrad 5 gelagert ist, das von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die Löcher 4b im Fortsatz 4, durch welche sich die Schrauben 4a erstrecken, sind als Langlöcher ausgebildet, um eine Grundeinstellung der Nockenwelle 3 relativ zum Antriebsrad 5 zu ermöglichen.
  • Zur Übertragung des Antriebs vom Antriebsrad 5 auf die Nockenwelle 3 dient ein Schaltelement 6, das über ein erstes Verzahnungspaar 7, 9 drehfest mit dem Antriebsrad und über ein zweites Verzahnungspaar 8, 11 drehfest mit dem Nockenwellenfortsatz 4 verbunden ist. Die Verzahnungspaare 7, 9 und 8, 11 schließen unterschiedliche Winkel mit der Längsmittelachse der Nockenwelle 3 ein. Im Ausführungsbeispiel ist das Verzahnungspaar 7, 9 als Geradverzahnung und das Verzahnungspaar 8, 11 als Schrägverzahnung ausgebildet. Es könnte jedoch auch das Verzahnungspaar 7,9 als Schrägverzahnung und das Verzahnungspaar 8, 11 als Geradverzahnung ausgebildet sein. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, beide Verzahnungspaare als Schrägverzahnung, jedoch mit entgegengesetzter oder unterschiedlicher Schrägstellung auszuführen. In jedem Falle wird durch Axialverschiebung des Stellelementes 6 eine Verdrehung der Nockenwelle 3 relativ zum Antriebsrad 5 und damit eine Veränderung der Ventilsteuerzeiten bewirkt. Die Axialverschiebung des Schaltelements 6 erfolgt mit Hilfe eines am anderen Ende der Nockenwelle 3 angeordneten Stellmotors 15, dessen Stellglied im Ausführungsbeispiel ein Hydraulikkolben 16', durch eine Schaltstange 17, welche eine Durchgangsbohrung 18 der Nockenwelle 3 durchdringt, mit dem Schaltelement 6 verbunden ist. Durch Druckbelastung einer Seite des Stellkolbens 16 und Druckentlastung der anderen Kolbenfläche mittels eines z.B. durch einen Elektromagneten 19 betätigten Steuerschiebers 20 wird das Schaltlement 6 von der einen Endstellung in die andere gebracht. Die Umschaltung kann, wie bekannt, in Abhängigkeit von Betriebsparametern erfolgen. Zur Vermeidung von Verzwängungen kann die Schaltstange 17 mit dem Schaltelement 6 und mit dem Stellkolben 16 winkelbeweglich verbunden sein.
  • Der Stellmotor 15 ist im Ausführungsbeispiel drehfest mit der Nockenwelle 3 verbunden. Dadurch wird ein Axiallager für die Nockenwelle, das bei einem stationär angeordneten Stellmotor für die Aufnahme der axialen Stellkräfte erforderlich ist, vermieden. Die Druckmittelzu- und -abführung zu der in Fig. 2 rechten Seite des Stellkolbens 16 erfolgt über das Nockenwellenlager 2' und eine Bohrung 21 in der Nockenwelle 3 durch die hohle Schaltstange 17 und die Hohlschraube 22, welche den Stellkolben 16 mit der Schaltstange 17 verbindet. Die Druckmittelzu- und -abführung zu bzw. von der linken Seite des Stellkolbens 16 erfolgt ebenfalls durch das Nockenwellenlager 2' und eine zweite Bohrung 23 in der Nockenwelle sowie einen Ringraum 24 zwischen der Schaltstange 17 und der Wand der Durchgangsbohrung 18. Zur Abdichtung der beiden Bohrungen 21 und 23 voneinander ist in die Durchgangsbohrung 18 eine Hülse 25 eingepreßt.
  • Das Schaltelement 6 ist in dem rohrförmigen Nockenwellen-Fortsatz 4 angeordnet und an seinem Umfang ist, wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, abwechselnd die Außenverzahnung 7 des ersten Verzahnungspaares und die Außenverzahnung 8 des zweiten Verzahnungspaares vorgesehen. Die Außenverzahnung 7 wird im Ausführungsbeispiel von in Längsrichtung der Nockenwelle 3 verlaufenden Geradverzahnungen gebildet, während die Außenverzahnung 8 von Schrägverzahnungs-Sektoren gebildet ist, die zwischen benachbarten Geradverzahnungs-Sektoren 7 angeordnet sind. Mit den Schrägverzahnungs-Sektoren 8 sind entsprechende Innen-Schrägverzahnungs-Segmente 11 am Innenumfang des rohrförmigen Nockenwellen-Fortsatzes 4 im Eingriff. Die Umfangswand dieses Nockenwellen-Fortsatzes 4 ist zwischen den Segmenten 11 mit Durchbrüchen 10 versehen, durch welche sich Speichen 12 des Antriebsrades 5 erstrecken, die mit ihren geradverzahnten Enden 9 in die Geradverzahnungs-Sektoren 7 eingreifen. Die Speichen 12 sind in den Durchbrüchen 10 mit einem so großen Spiel in Umfangsrichtung angeordnet, daß die gewünschte Winkelverstellung der Nockenwelle 3 relativ zum Antriebsrad 5 ermöglicht wird.
  • Die Schrägverzahnung 7 des Schaltelements 6 hat einen größeren Teilkreisdurchmesser als die Geradverzahnung 8. Dadurch läßt sich die Schrägverzahnung durch Wälzfräsen herstellen, da ein seitlicher Auslauf für das Fräswerkzeug vorhanden ist. Die Geradverzahnung kann durch Räumen oder Stoßen hergestellt werden. Das Schaltelement kann jedoch auch ein Sinterkörper sein, bei dem zumindest die Geradverzahnung fertig gesintert ist.
  • Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel könnten zwischen den Schrägverzahnungs-Sektoren 8 anstelle der Geradverzahnungs-Sektoren 7 entweder Längsnuten oder auch eine Schrägverzahnung mit einer anderen Schrägstellung vorgesehen werden. Die Enden 9 der Speichen 12 müßten dann entsprechend ausgeführt sein.

Claims (6)

  1. Antriebsvorrichtung für eine im Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine gelagerte Nockenwelle (3) mit einer Einrichtung zum Verdrehen der Nockenwelle relativ zu einem koaxialen, mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Antriebsverbindung stehenden Antriebsrad (5), die ein koaxial zur Nockenwelle (3) angeordnetes, durch einen Stellmotor axial zwischen zwei Endstellungen verschiebbares Schaltelement (6) aufweist, das über ein erstes Verzahnungspaar (7, 9) mit dem Antriebsrad (5) und über ein zweites Verzahnungspaar (8, 11) mit der Nockenwelle (3) zusammenwirkt, wobei jedes Verzahnungspaar aus einer am Schaltelement (6) vorgesehenen Außenverzahnung (7 bzw. 8) und einer am Antriebsrad (5) bzw. in der Nockenwelle (3) vorgesehenen Innenverzahnung (9 bzw. 11) besteht und die beiden Verzahnungspaare unterschiedliche Winkel mit der Längsmittelachse der Nockenwelle einschließen, und wobei das Antriebszahnrad (5) auf einem rohrförmigen Fortsatz (4) der Nockenwelle (3) drehbar gelagert ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) das Schaltelement (6) ist im Nockenwellenfortsatz (4) angeordnet und an seinem Umfang ist abwechselnd die Außenverzahnung (7) des ersten Verzahnungspaares (7, 9) und die Außenverzahnung (8) des zweiten Verzahnungspaares (8, 11) vorgesehen
    b) die Umfangswand des rohrförmigen Nockenwellenfortsatzes (4) ist mit Durchbrüchen (10) und zwischen den Durchbrüchen mit Innenverzahnungssegmenten (11) versehen, die mit den Außenverzahnungen (8) des zweiten Verzahnungspaares auf dem Stellelement (6) in Eingriff sind
    c) das Antriebsrad (5) weist sich durch die Durchbrüche (10) radial nach innen erstreckende Speichen (12) auf, deren Enden (9) mit den Außenverzahnungen (7) des ersten Verzahnungspaares (7, 9) auf dem Stellelement (6) in Eingriff sind, wobei die Speichen (12) in den Durchbrüchen (10) mit einem Spiel in Umfangsrichtung angeordnet sind, das den erforderlichen Verdrehwinkel zwischen der Nockenwelle (3) und dem Antriebsrad (5) entspricht.
  2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Verzahnungspaar (7, 9) nach Art einer Keilwellen-Verzahnung ausgebildet ist, wobei die Speichen (12) mit ihren radial inneren Enden (9) in Geradverzahnungen (7) in der Umfangsfläche des Schaltelements (6) zwischen benachbarten Außenverzahnungen (8) des zweiten Verzahnungspaares (8, 11) eingreifen.
  3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (15) dem vom Antriebsrad (5) abgewandten Ende der Nockenwelle (3) benachbart angeordnet ist und daß das Stellglied (16) des Stellmotors (15) mit dem Schaltelement (6) durch eine die Nockenwelle (3) durchsetzende Schaltstange (17) verbunden ist.
  4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltstange (17) winkelbeweglich mit dem Schaltelement (6) und/oder mit dem Stellglied (16) verbunden ist.
  5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (15), das Stellglied (16) und die Schaltstange (17) drehfest mit der Nockemwelle (3) verbunden sind.
  6. Anstriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Fortsatz (4) in verschiedenen Winkellagen der Nockenwelle (3) festlegbar ist.
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EP0518898A1 EP0518898A1 (de) 1992-12-23
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