EP0545984A1 - Automatic-control device for changing the relative rotational position of shafts in an internal-combustion engine. - Google Patents

Automatic-control device for changing the relative rotational position of shafts in an internal-combustion engine.

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Publication number
EP0545984A1
EP0545984A1 EP91914901A EP91914901A EP0545984A1 EP 0545984 A1 EP0545984 A1 EP 0545984A1 EP 91914901 A EP91914901 A EP 91914901A EP 91914901 A EP91914901 A EP 91914901A EP 0545984 A1 EP0545984 A1 EP 0545984A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
camshaft
intermediate wheel
toothing
control device
combustion engine
Prior art date
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Application number
EP91914901A
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German (de)
French (fr)
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EP0545984B1 (en
Inventor
Donatus Wichelhaus
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Dr Ing HCF Porsche AG
Original Assignee
Dr Ing HCF Porsche AG
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Publication date
Application filed by Dr Ing HCF Porsche AG filed Critical Dr Ing HCF Porsche AG
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Application granted granted Critical
Publication of EP0545984B1 publication Critical patent/EP0545984B1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
  • One possibility to change the valve control times during the operation of the internal combustion engine is to preferably rotate the position of the intake camshaft in relation to the crankshaft driving it with the aid of a so-called phase converter.
  • phase converter oil pressure dependent a coupling member axially displaced, which is coaxially surrounded by the wheel driving the camshaft.
  • the coupling member has two toothings, at least one of which is obliquely toothed and which each cooperate with a corresponding toothing on the camshaft or in the wheel.
  • a disadvantage of the design is the high component expenditure for the activation and deactivation of the pressure oil as well as the large construction volume.
  • a camshaft which is coaxially surrounded by a hollow shaft piece which carries a cam for actuating a gas exchange valve.
  • An annular gap formed and sealed between the camshaft and the shaft piece is filled with an electroviscous fluid (EVF).
  • EVF electroviscous fluid
  • the viscosity of the EVF is increased to such an extent that a rigid coupling is created so that the shaft section rotates synchronously with the camshaft.
  • the electroviscous liquid liquefies, causing this Shaft section is decoupled from the camshaft.
  • a gas exchange valve can be switched on or off or the valve overlap between intake and exhaust valves can be varied. With the latter, this arrangement achieves the same effect that can be achieved with a change in the relative rotational position between an intake and an exhaust camshaft.
  • the object of the present invention is to provide a generic device which reduces the component expenditure and the construction volume and is of simple, inexpensive construction.
  • the main advantages achieved by the invention are that the device can change the relative rotational position quickly and has a small number of components, in particular moving components, and takes up little space.
  • the coupling member designed as an intermediate wheel is at least partially coaxially surrounded by a fixed intermediate radio ring, an annular space being delimited between the two parts and being filled with an electroviscous liquid.
  • An output voltage supplied to this liquid by an electronic control device changes the viscosity in such a way that a braking torque acts on the idler gear which, due to the helical toothing, produces an axial force which displaces the idler gear towards a first end position.
  • Designing the first and second toothing as oblique toothing increases the angle of rotation of the camshaft with respect to the shaft driving it, on the one hand, and thus prevents an undesired pushing back of the idler gear due to a changing, non-uniform camshaft drive torque.
  • the annulus and the locking bearing are on both sides by commercially available
  • Sealing rings limited which are fixed in a simple manner in the idler gear bearing ring or on the camshaft.
  • Electrodes are attached to the camshaft and are in direct contact with the electroviscous fluid.
  • the electrodes are arranged insulated, either using an electrically non-conductive intermediate layer or the intermediate wheel bearing ring or the segment being made from non-conductive material.
  • the electrodes are connected to one another by means of electrically conductive connections
  • High-voltage module of the control device connected, the electrode on the segment of the camshaft via a connection guided centrally in the camshaft, for. B. the screw connection of the plate spring and a connection extending radially from there to the electrode is supplied.
  • crankshaft is detected by sensors and the electronic one
  • Control device supplied.
  • optimal maps are provided depending on parameters of the internal combustion engine
  • the device is of simple construction, since it uses components that are also required in known, oil-hydraulic or electrically operated phase converters.
  • the idler gear bearing ring can be a separate component or part of the
  • the amount of liquid required is small because it does not have to be constantly drained and renewed.
  • a camshaft 2 controlling the gas exchange of intake valves is rotatably mounted in an only indicated cylinder head 1, on the drive-side end 3 of which a device for changing the rotational position is arranged, which drives the camshaft 2 relative to a crankshaft, not shown, which drives it twisted.
  • the device comprises a drive wheel 4 driven by the crankshaft, which carries a first toothing 5 designed as an inclined internal toothing, which cooperates with a corresponding external toothing 6 of a coupling member designed as an intermediate wheel 7.
  • the intermediate gear 7 consists of an annular disk 8 and a hollow cylindrical sleeve 9.
  • the disk 8 carries the external toothing 6 and a second toothing 10 designed as oblique internal toothing, which engages in a corresponding external toothing 11 on the camshaft 2.
  • the meshing teeth 5, 6 and 10, 11 are mutually helical so that self-locking between the camshaft 2 and the drive wheel 4 results.
  • the intermediate wheel 7 is axially displaceable in any position between two end positions E1, E2, the outer circumferential surface 15 of the sleeve 9 sliding in an intermediate wheel bearing ring 16 arranged in a stationary manner in the cylinder head 1.
  • This bearing ring 16 coaxially surrounds the sleeve 9 and includes an annular space 17 formed between the sleeve 9 and the bearing ring 16.
  • a circular gap 19 is formed between an inner surface 18 of the sleeve 9 and the camshaft 2, two sealing rings 20 arranged at a distance from one another on the camshaft 2 delimiting a locking bearing 21 within the circular gap 9.
  • a plate spring 22 is screwed in the middle in the end face of the camshaft 2 and is located with its outer edge area in resilient contact with the idler gear 7.
  • An electrode 24 which is insulated onto this segment 23 is arranged on a segment 23 of the camshaft 2 lying between the sealing rings 20.
  • a further, also insulated electrode 25 is arranged on the outer surface 26 delimiting the annular space 17 on the intermediate wheel bearing side.
  • the annular space 17 formed in the idler gear bearing ring 16 is sealed on both sides by sealing rings 27 inserted in the bearing ring 16.
  • the annular space 17 and the locking bearing 21 are filled with a liquid F, the viscosity of which can be regulated in a wide range between 'liquid' and 'rigid' by applying an electrical voltage.
  • An electronic control device 30 assigned to the device comprises a high-voltage module 31, which can supply output voltages UA1 or UA2 to the electrodes 24 or 25 via electrically conductive connections 32.
  • a current differential angle of rotation DW between the camshaft 2 and the crankshaft is supplied to the high-voltage module 31 by a cam angle sensor 33 and a crank angle sensor 34, respectively.
  • maps K are integrated, in which, depending on the module 31, parameters supplied to the internal combustion engine, such as. B. speed n, load L and oil temperature TO, the respective operating state, optimal differential rotation angle DW are stored.
  • the output voltages UA1, UA2 are stored in the module 31 in lists B logically linked with the rotation angle DW.
  • the intermediate wheel 7 is, for example, in the end position E1 corresponding to an idling speed.
  • This end position El is assigned a certain differential rotation angle DW, which ensures an optimal valve overlap between the intake valves actuated by the camshaft 2 and the exhaust valves actuated by a further camshaft, not shown, for this operating state.
  • the liquid F in the locking bearing 21 or in the annular space 17 is liquid.
  • the locking bearing 21 rotates at the speed of the camshaft 2, while a shear rate gradient occurs in the liquid in the annular space 17, since the idler gear bearing ring 16 is stationary with respect to the idler gear 7.
  • the plate spring 22 is in the position shown in the figure and therefore does not exert any force on the intermediate wheel 7.
  • the braking torque MB causes an axial force FAX which overcomes the self-locking and shifts the intermediate wheel 7 in the direction of the second end position E2 against the spring force FFE applied by the plate spring 22.
  • the cam drive torque transmitted from the crankshaft to the camshaft 2 is non-uniform due to the gas exchange valves to be actuated at different times and the spring forces to be overcome in the process. With a camshaft revolution, this drive torque passes z. B. multiple values between + 20 Nm and - 20 Nm. This non-uniformity causes a slightly oscillating, axial relative movement of the intermediate wheel 7 with respect to the camshaft 2, which is damped by the plate spring 22.
  • the intermediate wheel 7 is shifted into the second end position E2, this position can take place by constant application of the output voltage UA2 or in the manner previously described for any intermediate position.
  • the intermediate wheel 7 is reset in the direction of the end position El by switching off the output voltage UA2 and lowering the voltage UA1 to a value which causes the force FAF to drop below the value of the spring force FFE, so that this spring force FFE moves the intermediate wheel 7. This affects force resulting from the locking bearing 21 damping the oscillating relative movement of the idler gear 7.
  • the electrical power requirement of the high-voltage module 31 is less than 5 watts and the outer diameter of the drive wheel 4 is less than 100 mm.
  • the geometric design of the device can be adapted to the structural conditions of the internal combustion engine in a wide range.
  • the dimensioning of the device can, for. B. on the tooth angle of the oblique teeth 5, 6 or 10, 11, the required adjustment angle of the camshaft 2, the composition of the liquid F used and the roughness of the surfaces wetted by the liquid F can be influenced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)

Abstract

Un dispositif permet d'ajuster en continu la position angulaire, par exemple d'un arbre à cames (2), par rapport à un villebrequin qui l'entraîne, afin d'influer sur les temps de commande d'un moteur à combustion interne. Le dispositif comprend une roue intermédiaire (7) axialement mobile entre deux positions extrêmes qui s'engrène au moyen d'une denture extérieure ou intérieure hélicoïdale (6, 10) dans un pignon d'entraînement (4) et l'arbre à cames (2). Un espace annulaire (17) formé dans un palier annulaire fixe (16) est rempli d'un liquide électrovisqueux qui exerce une force axiale d'ajustement de la roue intermédiaire (7) lorsqu'un dispositif électronique de commande (30) lui applique une tension. Un palier de serrage électrovisqueux (21) disposé entre l'arbre à cames (2) et la roue intermédiaire retient la roue intermédiaire (7) dans n'importe quelle position entre les deux positions extrêmes (E1, E2).A device makes it possible to continuously adjust the angular position, for example of a camshaft (2), relative to a crankshaft which drives it, in order to influence the control times of an internal combustion engine . The device comprises an intermediate wheel (7) axially movable between two end positions which meshes by means of an external or internal helical toothing (6, 10) in a drive pinion (4) and the camshaft ( 2). An annular space (17) formed in a fixed annular bearing (16) is filled with an electroviscous liquid which exerts an axial force for adjusting the intermediate wheel (7) when an electronic control device (30) applies a pressure to it. voltage. An electroviscous clamping bearing (21) arranged between the camshaft (2) and the intermediate wheel retains the intermediate wheel (7) in any position between the two extreme positions (E1, E2).

Description

Vorrichtung zur selbsttätig gesteuerten Änderung der relativen Drehlage von Wellen in einer Brennkraftraaschine Device for automatically changing the relative rotational position of shafts in an internal combustion engine
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
Es ist bekannt,- die Ventilsteuerzeiten einer Brennkraftmaschine ihrer Dreh¬ zahl anzupassen, um sie in einem möglichst breiten Drehzahlbereich optimal betreiben zu können. Hierdurch können Drehmoment, Leistung, Abgasemission, Leerlaufverhalten und Kraftstoffverbrauch verbessert werden.It is known to adapt the valve timing of an internal combustion engine to its speed in order to be able to operate it optimally in the widest possible speed range. This can improve torque, power, exhaust emissions, idling behavior and fuel consumption.
Eine Möglichkeit, die VentilSteuerzeiten während des Betriebes der Brenn¬ kraftmaschine zu ändern, besteht darin, vorzugsweise die Einlaßnockenwelle in ihrer Lage relativ zu der sie antreibenden Kurbelwelle mit Hilfe eines sogenannten Phasenwandlers zu verdrehen. Dabei wird, wie z. B. aus der EP- 0335083 bekannt, öldruckabhängig ein Koppelglied axial verschoben, welches koaxial von dem die Nockenwelle antreibenden Rad umgeben ist. Das Koppelglied trägt zwei Verzahnungen, von denen mindestens eine schräg ver¬ zahnt ist, die mit je einer korrespondierenden Verzahnung auf der Nocken¬ welle bzw. in dem Rad zusammenwirken. Nachteilig bei Ausführung ist der hohe Bauteilaufwand für das Ein- und Absteuern des Drucköles sowie das große Bauvolumen.One possibility to change the valve control times during the operation of the internal combustion engine is to preferably rotate the position of the intake camshaft in relation to the crankshaft driving it with the aid of a so-called phase converter. Here, such. B. from EP-0335083, oil pressure dependent a coupling member axially displaced, which is coaxially surrounded by the wheel driving the camshaft. The coupling member has two toothings, at least one of which is obliquely toothed and which each cooperate with a corresponding toothing on the camshaft or in the wheel. A disadvantage of the design is the high component expenditure for the activation and deactivation of the pressure oil as well as the large construction volume.
Aus der GB- 21 89086 ist eine Nockenwelle bekannt, die koaxial von einem hohlen Wellenstück umgeben ist, welches einen Nocken zur Betätigung eines Gaswechsel entils trägt. Ein zwischen der Nockenwelle und dem Wellenstück ausgebildeter und abgedichteter Ringspalt ist mit einer elektroviskosen Flüssigkeit (EVF) gefüllt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwi¬ schen der Nockenwelle und dem isoliert gehaltenen Wellenstück wird die Vis¬ kosität der EVF soweit erhöht, daß eine starre Koppelung entsteht, so daß das Wellenstück synchron mit der Nockenwelle rotiert. Beim Abschalten der Spannung verflüssigt sich die elektroviskose Flüssigkeit, wodurch das Wellenstück von der Nockenwelle entkoppelt wird. Mit dieser Anordnung kann z. B. ein Gaswechselventil zu- bzw. abgeschaltet werden oder die VentilÜberschneidung zwischen Einlaß- und Auslaßventilen kann variiert werden. Mit letzterer erzielt diese Anordnung den gleichen Effekt, der mit einer Änderung der relativen Drehlage zwischen einer Einlaß- und einer Auslaßnockenwelle zu erreichen ist.From GB-21 89086 a camshaft is known which is coaxially surrounded by a hollow shaft piece which carries a cam for actuating a gas exchange valve. An annular gap formed and sealed between the camshaft and the shaft piece is filled with an electroviscous fluid (EVF). By applying an electrical voltage between the camshaft and the isolated shaft section, the viscosity of the EVF is increased to such an extent that a rigid coupling is created so that the shaft section rotates synchronously with the camshaft. When the voltage is switched off, the electroviscous liquid liquefies, causing this Shaft section is decoupled from the camshaft. With this arrangement z. B. a gas exchange valve can be switched on or off or the valve overlap between intake and exhaust valves can be varied. With the latter, this arrangement achieves the same effect that can be achieved with a change in the relative rotational position between an intake and an exhaust camshaft.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, die den Bauteilaufwand und das Bauvolumen verringert und von einfachem, kostengünstigen Aufbau ist.The object of the present invention is to provide a generic device which reduces the component expenditure and the construction volume and is of simple, inexpensive construction.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Anspruches.1. Die mit der Erfindung hauptsächlich erzielten Vorteile bestehen darin, daß die Vorrichtung die relative Drehlage schnell ändern kann und eine geringe Anzahl von Bauteilen, insbesondere von bewegten Bauteilen aufweist sowie einen geringen Bauraum beansprucht. Das als Zwischenrad ausgebildet Koppelglied ist zumindest abschnittsweise koaxial von einem feststehenden Zwischenradiagerring umgeben, wobei zwischen beiden Teilen ein Ringraum begrenzt ist, der mit einer elektroviskosen Flüssigkeit gefüllt ist. Eine von einer elektronischen Steuereinrichtung an diese Flüssigkeit gelieferte Ausgangsspannung verändert die Viskosität derart, daß auf das Zwischenrad ein Bremsmoment wirkt, welches aufgrund der Schrägverzahnung eine Axialkraft hervorruft, die das Zwischenrad in Richtung einer ersten Endlage verschiebt.This problem is solved with the features of claim 1. The main advantages achieved by the invention are that the device can change the relative rotational position quickly and has a small number of components, in particular moving components, and takes up little space. The coupling member designed as an intermediate wheel is at least partially coaxially surrounded by a fixed intermediate radio ring, an annular space being delimited between the two parts and being filled with an electroviscous liquid. An output voltage supplied to this liquid by an electronic control device changes the viscosity in such a way that a braking torque acts on the idler gear which, due to the helical toothing, produces an axial force which displaces the idler gear towards a first end position.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen benannt.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Eine Ausbildung der ersten und zweiten Verzahnung als schräge Verzahnungen erhöht einerseits den Verdrehwinkel der Nockenwelle gegenüber der sie antreibenden Welle, andererseits ist so ein ungewolltes Zurückschieben des Zwischenrades aufgrund eines wechselnden, ungleichförmigen Nockenwellen- Antriebsmomentes blockiert.Designing the first and second toothing as oblique toothing increases the angle of rotation of the camshaft with respect to the shaft driving it, on the one hand, and thus prevents an undesired pushing back of the idler gear due to a changing, non-uniform camshaft drive torque.
Eine aufgrund dieses Antriebsmomentes verursachte, axial pendelnde Relativbewegung des Zwischenrades auf der Nockenwelle wird durch eine Tellerfeder wirksam bedämpft, die zwischen Nockenwelle und Zwischenrad angeordnet ist und gleichzeitig die für eine Rückstellung erforderliche Federkraft aufbringt. Damit jede beliebige Drehlage zwischen den beiden Endlagen eingestellt werden kann, ist zwischen der Nockenwelle und dem Zwischenrad ein elektroviskoses Feststellager ausgebildet, welches ebenfalls aus der elektronischen Steuereinrichtung mit einer Ausgangsspannung versorgt wird und eine radiale Druckkraft verursacht, die eine axiale Feststellkraft zurAn axially oscillating relative movement of the idler gear on the camshaft caused by this drive torque is effectively damped by a plate spring which is arranged between the camshaft and idler gear and at the same time applies the spring force required for resetting. So that any rotational position between the two end positions can be set, an electroviscous locking bearing is formed between the camshaft and the idler gear, which is also supplied with an output voltage from the electronic control device and causes a radial compressive force that creates an axial locking force
Folge hat, welche der Federkraft entgegenwirkt und diese kompensiert.Consequence, which counteracts the spring force and compensates it.
Der Ringraum sowie das Feststellager werden beidseitig durch handelsüblicheThe annulus and the locking bearing are on both sides by commercially available
Dichtringe begrenzt, die in einfacher Weise in dem Zwischenrad-Lagerring bzw. auf der Nockenwelle festgelegt sind.Sealing rings limited, which are fixed in a simple manner in the idler gear bearing ring or on the camshaft.
In dem Ringraum und auf einem dem Feststellager zugeordneten Segment derIn the annular space and on a segment associated with the locking bearing
Nockenwelle sind Elektroden aufgebracht, die in direktem Kontakt mit der elektroviskosen Flüssigkeit stehen. Die Elektroden sind isoliert angeordnet, wobei entweder eine elektrisch nicht leitende Zwischenschicht verwendet wird oder der Zwischenrad-Lagerring bzw. das Segment aus nicht leitendem Material gefertigt sind.Electrodes are attached to the camshaft and are in direct contact with the electroviscous fluid. The electrodes are arranged insulated, either using an electrically non-conductive intermediate layer or the intermediate wheel bearing ring or the segment being made from non-conductive material.
Die Elektroden sind mittels elektrisch leitender Verbindungen an einThe electrodes are connected to one another by means of electrically conductive connections
Hochspannungsmodul der Steuereinrichtung angeschlossen, wobei die Elektrode auf dem Segment der Nockenwelle über eine zentral in die Nockenwelle geführte Verbindung, z. B. die Verschraubung der Tellerfeder und eine von dort radial zur Elektrode verlaufende Verbindung versorgt wird.High-voltage module of the control device connected, the electrode on the segment of the camshaft via a connection guided centrally in the camshaft, for. B. the screw connection of the plate spring and a connection extending radially from there to the electrode is supplied.
Ein aktueller Differenzdrehwinkel zwischen der Nockenwelle und derA current differential rotation angle between the camshaft and the
Kurbelwelle wird über Sensoren erfaßt und der elektronischenThe crankshaft is detected by sensors and the electronic one
Steuereinrichtung zugeführt. In dieser Steuereinrichtung sind in Kennfeldern in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine optimaleControl device supplied. In this control device, optimal maps are provided depending on parameters of the internal combustion engine
Differenzdrehwinkel gespeichert. In logisch mit den optimalen Winkeln verknüpften Listen sind die Ausgangsspannungen abgelegt.Differential rotation angle saved. The output voltages are stored in lists logically linked with the optimal angles.
Die Vorrichtung ist von einfachem Aufbau, da sie Bauteile verwendet, die auch in bekannten, ölhydraulisch oder elektrisch betätigten Phasenwandlern benötigt werden.The device is of simple construction, since it uses components that are also required in known, oil-hydraulic or electrically operated phase converters.
Der Zwischenrad-Lagerring kann als separates Bauteil oder aber als Teil desThe idler gear bearing ring can be a separate component or part of the
Zylinderkopfes ausgebildet sein.Be formed cylinder head.
Die benötigte Flüssigkeitsmenge ist gering, da sie nicht ständig abgeführt und erneuert werden muß.The amount of liquid required is small because it does not have to be constantly drained and renewed.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Figur erläutert, die schematisch eine Vorrichtung mit einer elektronischen Steuereinrichtung zeigt. In einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine ist in einem nur angedeuteten Zylinderkopf 1 eine den Gaswechsel von Einlaßventilen steuernde Nockenwelle 2 drehbar gelagert, an deren antriebsseitigem Ende 3 eine Vorrichtung zur Änderung der Drehlage angeordnet ist, die die Nockenwelle 2 relativ zu einer sie antreibenden, nicht gezeigten Kurbelwelle verdreht. Die Vorrichtung umfaßt ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebsrad 4, welches eine als schräge Innenverzahnung ausgebildete erste Verzahnung 5 trägt, die mit einer korrespondierenden Außenverzahnung 6 eines als Zwischenrad 7 ausgebildeten Koppelgliedes zusammenwirkt. Das Zwischenrad 7 besteht aus einer ringförmigen Scheibe 8 und einer hohlzylindrischen Hülse 9. Die Scheibe 8 trägt die Außenverzahnung 6 sowie eine als schräge Innenverzahnung ausgebildete zweite Verzahnung 10, die in eine entsprechende Außenverzahnung 11 auf der Nockenwelle 2 eingreift. Die in Eingriff stehenden Verzahnungen 5, 6 und 10, 11 sind wechselseitig derart schräg verzahnt, daß sich Selbsthemmung zwischen der Nockenwelle 2 und dem Antriebsrad 4 ergibt.The invention is explained below by way of example with reference to a figure which schematically shows a device with an electronic control device. In an internal combustion engine (not shown), a camshaft 2 controlling the gas exchange of intake valves is rotatably mounted in an only indicated cylinder head 1, on the drive-side end 3 of which a device for changing the rotational position is arranged, which drives the camshaft 2 relative to a crankshaft, not shown, which drives it twisted. The device comprises a drive wheel 4 driven by the crankshaft, which carries a first toothing 5 designed as an inclined internal toothing, which cooperates with a corresponding external toothing 6 of a coupling member designed as an intermediate wheel 7. The intermediate gear 7 consists of an annular disk 8 and a hollow cylindrical sleeve 9. The disk 8 carries the external toothing 6 and a second toothing 10 designed as oblique internal toothing, which engages in a corresponding external toothing 11 on the camshaft 2. The meshing teeth 5, 6 and 10, 11 are mutually helical so that self-locking between the camshaft 2 and the drive wheel 4 results.
Das Zwischenrad 7 ist axial in jede beliebige Position zwischen zwei Endlagen El, E2 verschiebbar, wobei die äußere Mantelfläche 15 der Hülse 9 in einem ortsfest in dem Zylinderkopf 1 angeordneten Zwischenrad-Lagerring 16 gleitet. Dieser Lagerring 16 umgibt die Hülse 9 koaxial und schließt dabei einen zwischen Hülse 9 und Lagerring 16 ausgebildeten Ringraum 17 ein. Zwischen einer Innenfläche 18 der Hülse 9 und der Nockenwelle 2 ist ein Kreisspalt 19 ausgebildet, wobei zwei beabstandet zueinander auf der Nockenwelle 2 angeordnete Dichtringe 20 innerhalb des Kreisspaltes 9 ein Feststellager 21 abgrenzen.The intermediate wheel 7 is axially displaceable in any position between two end positions E1, E2, the outer circumferential surface 15 of the sleeve 9 sliding in an intermediate wheel bearing ring 16 arranged in a stationary manner in the cylinder head 1. This bearing ring 16 coaxially surrounds the sleeve 9 and includes an annular space 17 formed between the sleeve 9 and the bearing ring 16. A circular gap 19 is formed between an inner surface 18 of the sleeve 9 and the camshaft 2, two sealing rings 20 arranged at a distance from one another on the camshaft 2 delimiting a locking bearing 21 within the circular gap 9.
Eine Tellerfeder 22 ist mittig in der endseitigen Stirnfläche der Nockenwelle 2 verschraubt und befindet sich mit ihrem äußeren Randbereich in federnder Anlage mit dem Zwischenrad 7.A plate spring 22 is screwed in the middle in the end face of the camshaft 2 and is located with its outer edge area in resilient contact with the idler gear 7.
Auf einem zwischen den Dichtringen 20 liegenden Segment 23 der Nockenwelle 2 ist eine isoliert auf dieses Segment 23 aufgebrachte Elektrode 24 angeordnet. Eine weitere, ebenfalls isoliert aufgebrachte Elektrode 25 ist auf der den Ringraum 17 zwischenradlagerseitig begrenzenden Außenfläche 26 angeordnet. Der in dem Zwischenrad-Lagerring 16 ausgebildete Ringraum 17 ist beidseitig durch in den Lagerring 16 eingelegte Dichtringe 27 abgedichtet. Der Ringraum 17 und das Feststellager 21 sind mit einer Flüssigkeit F gefüllt, deren Viskosität durch Anlegen einer elektrischen Spannung in einem weiten Bereich zwischen 'flüssig' und 'starr' regelbar ist. Eine der Vorrichtung zugeordnete elektronische Steuereinrichtung 30 umfaßt ein Hochspannungsmodul 31, welches über elektrisch leitende Verbindungen 32 den Elektroden 24 bzw. 25 Ausgangsspannungen UA1 bzw. UA2 zuführen kann. Als Gegenpol für beide Elektroden 24, 25 wirkt das über die Nockenwelle 2 geerdete Zwischenrad 7. Dem Hochspannungsmodul 31 wird von einem als Sensor wirkenden Nockenwinkelgeber 33 bzw. einem Kurbelwinkelgeber 34 ein jeweils aktueller Differenzdrehwinkel DW zwischen der Nockenwelle 2 bzw. der Kurbelwelle zugeführt.An electrode 24 which is insulated onto this segment 23 is arranged on a segment 23 of the camshaft 2 lying between the sealing rings 20. A further, also insulated electrode 25 is arranged on the outer surface 26 delimiting the annular space 17 on the intermediate wheel bearing side. The annular space 17 formed in the idler gear bearing ring 16 is sealed on both sides by sealing rings 27 inserted in the bearing ring 16. The annular space 17 and the locking bearing 21 are filled with a liquid F, the viscosity of which can be regulated in a wide range between 'liquid' and 'rigid' by applying an electrical voltage. An electronic control device 30 assigned to the device comprises a high-voltage module 31, which can supply output voltages UA1 or UA2 to the electrodes 24 or 25 via electrically conductive connections 32. The intermediate wheel 7, which is grounded via the camshaft 2, acts as the opposite pole for the two electrodes 24, 25. A current differential angle of rotation DW between the camshaft 2 and the crankshaft is supplied to the high-voltage module 31 by a cam angle sensor 33 and a crank angle sensor 34, respectively.
In dem Hochspannungsmodul 31 sind Kennfelder K integriert, in dem in Abhängigkeit von dem Modul 31 zugeführten Parametern der Brennkraftmaschine, wie z. B. Drehzahl n, Last L und Öltemperatur TO, dem jeweiligen Betriebszustand entsprechende, optimale Differenzdrehwinkel DW abgespeichert sind. In logisch mit den Drehwinkel DW verknüpften Listen B sind die Ausgangsspannungen UA1, UA2 in dem Modul 31 abgelegt.In the high-voltage module 31, maps K are integrated, in which, depending on the module 31, parameters supplied to the internal combustion engine, such as. B. speed n, load L and oil temperature TO, the respective operating state, optimal differential rotation angle DW are stored. The output voltages UA1, UA2 are stored in the module 31 in lists B logically linked with the rotation angle DW.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine befindet sich das Zwischenrad 7. beispielsweise in der einer Leerlaufdrehzahl entsprechenden Endlage El. Diese Endlage El ist ein bestimmter Differenzdrehwinkel DW zugeordnet, der eine für diesen Betriebszustand optimale Ventilüberschneidung zwischen den von der Nockenwelle 2 betätigten Einlaßventilen und den von einer weiteren, nicht gezeigten Nockenwelle betätigten Auslaßventilen gewährleistet. Die Flüssigkeit F im Feststellager 21 bzw. im Ringraum 17 ist flüssig. Das Feststellager 21 läuft mit der Drehzahl der Nockenwelle 2 um, während in der in dem Ringraum 17 befindlichen Flüssigkeit ein Schergeschwindigkeitsgefälle auftritt, da der Zwischenrad-Lagerring 16 gegenüber dem Zwischenrad 7 stillsteht. Die Tellerfeder 22 befindet sich in der in der Figur gezeigten Lage und übt daher keine Kraft auf das Zwischenrad 7 aus.During operation of the internal combustion engine, the intermediate wheel 7 is, for example, in the end position E1 corresponding to an idling speed. This end position El is assigned a certain differential rotation angle DW, which ensures an optimal valve overlap between the intake valves actuated by the camshaft 2 and the exhaust valves actuated by a further camshaft, not shown, for this operating state. The liquid F in the locking bearing 21 or in the annular space 17 is liquid. The locking bearing 21 rotates at the speed of the camshaft 2, while a shear rate gradient occurs in the liquid in the annular space 17, since the idler gear bearing ring 16 is stationary with respect to the idler gear 7. The plate spring 22 is in the position shown in the figure and therefore does not exert any force on the intermediate wheel 7.
Wird jetzt aufgrund eines aus einem Kennfeld K ausgelesenen Wertes für einen Differenzdrehwinkel DW, der z. B. für eine mittlere Brennkraftmaschinen¬ drehzahl optimal ist, eine Ausgangsspannung UA2 aus einer Liste bestimmt, so ändert sich aufgrund des zwischen der Elektrode 25 und dem Zwischenrad 7 wirkenden elektrischen Feldes die Viskosität der Flüssigkeit F in dem Ringraum 17 in Richtung 'starr'. Die erhöhte Viskosität verursacht ein auf das Zwischenrad 7 wirkendes Bremsmoment MB, welches durch die Reibkraft zwischen der Flüssigkeit F und der Hülse 9 sowie dem Außenradius dieser Hülse 9 bestimmt ist. Das Bremsmoment MB verursacht aufgrund der schrägen Verzahnungen 5, 6 bzw. 10, 11 eine axiale Kraft FAX, die die Selbsthemmung überwindet und das Zwischenrad 7 in Richtung auf die zweite Endlage E2 entgegen der von der Tellerfeder 22 aufgebrachten Federkraft FFE verschiebt.Is now based on a value read from a map K for a differential rotation angle DW, the z. B. is optimal for an average internal combustion engine speed, an output voltage UA2 is determined from a list, then the viscosity of the liquid F changes due to the electrical field acting between the electrode 25 and the intermediate wheel 7 Annulus 17 in the 'rigid' direction. The increased viscosity causes a braking torque MB acting on the intermediate wheel 7, which is determined by the frictional force between the liquid F and the sleeve 9 and the outer radius of this sleeve 9. Due to the oblique toothing 5, 6 or 10, 11, the braking torque MB causes an axial force FAX which overcomes the self-locking and shifts the intermediate wheel 7 in the direction of the second end position E2 against the spring force FFE applied by the plate spring 22.
Das von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle 2 übertragene Nockenantriebsmoment verläuft aufgrund der zeitlich versetzt zu betätigenden Gaswechselventile und der dabei zu überwindenden Federkräfte ungleichförmig. Bei einer Nockenwellenumdrehung durchläuft dieses Antriebsmoment z. B. mehrfach Wert zwischen + 20 Nm und - 20 Nm. Diese Ungleichförmigkeit bewirkt eine geringfügig pendelnde, axiale Relativbewegung des Zwischenrades 7 gegenüber der Nockenwelle 2, welche durch die Tellerfeder 22 bedämpft wird. Melden die Winkelgeber 33, 34 das Erreichen des gewünschten Differenzdrehwinkels DW, dem eine bestimmte Stellung des Zwischenrades zwischen den Endlagen El und E2 entspricht, so wird die Änderung der relativen Drehlage beendet, indem die Spannung UA2 abfällt und daraus resultierend die Viskosität der Flüssigkeit F in dem Ringraum 17 .in Richtung 'flüssig' geändert wird. Das Bremsmoment MB und die verschiebende Kraft FAX sinken ab. Zur Kompensation der Federkraft FFE bewirkt eine weitere, an die Elektrode 24 angelegte Ausgangsspannung UA1 eine Viskositätsänderung des Feststellagers 21 in Richtung 'starr', so daß aus einer radialen Druckkraft zwischen Segment 23 und Hülse 9 aufgrund der Oberflächenreibung eine axiale Festste!!kraft FAF entsteht, deren Richtung von der auf das Zwischenrad 7 wirkenden Kraft FAX oder FFE abhängt. Für jede Stellung des Zwischenrades 7 zwischen den Endlagen El, E2 wird dadurch ein Kräftegleichgewicht zwischen den entgegengesetzt wirkenden Kräften FAF und FFE erreicht.The cam drive torque transmitted from the crankshaft to the camshaft 2 is non-uniform due to the gas exchange valves to be actuated at different times and the spring forces to be overcome in the process. With a camshaft revolution, this drive torque passes z. B. multiple values between + 20 Nm and - 20 Nm. This non-uniformity causes a slightly oscillating, axial relative movement of the intermediate wheel 7 with respect to the camshaft 2, which is damped by the plate spring 22. If the angle sensors 33, 34 report that the desired differential rotation angle DW has been reached, which corresponds to a specific position of the idler gear between the end positions El and E2, the change in the relative rotational position is terminated by the voltage UA2 falling and the viscosity of the liquid F in resulting therefrom the annular space 17. is changed in the 'liquid' direction. The braking torque MB and the shifting force FAX decrease. To compensate for the spring force FFE, a further output voltage UA1 applied to the electrode 24 causes a change in the viscosity of the locking bearing 21 in the 'rigid' direction, so that an axial firmness !! force FAF arises from a radial pressure force between segment 23 and sleeve 9 due to the surface friction whose direction depends on the force acting on the idler gear 7 FAX or FFE. For each position of the intermediate wheel 7 between the end positions E1, E2, an equilibrium of forces is achieved between the opposing forces FAF and FFE.
Wird das Zwischenrad 7 bis in die zweite Endlage E2 verschoben, so kann diese Lage durch ständiges Anliegen der Ausgangsspannung UA2 oder aber in der zuvor für eine beliebige Zwischenstellung beschriebene Weise erfolgen. Das Rückstellen des Zwischenrades 7 in Richtung der Endlage El erfolgt durch Abschalten der Ausgangsspannung UA2 und Absenken der Spannung UA1 auf einen Wert, der die Kraft FAF unter den Wert der Federkraft FFE sinken läßt, so daß diese Federkraft FFE das Zwischenrad 7 verschiebt. Dabei wirkt die aus dem Feststellager 21 resultierende Kraft FAF dämpfend auf die pendelnde Relativbewegung des Zwischenrades 7.If the intermediate wheel 7 is shifted into the second end position E2, this position can take place by constant application of the output voltage UA2 or in the manner previously described for any intermediate position. The intermediate wheel 7 is reset in the direction of the end position El by switching off the output voltage UA2 and lowering the voltage UA1 to a value which causes the force FAF to drop below the value of the spring force FFE, so that this spring force FFE moves the intermediate wheel 7. This affects force resulting from the locking bearing 21 damping the oscillating relative movement of the idler gear 7.
Für einen geforderten Verstellwinkel der Nockenwelle 2 von z. B. 15β und einen maximalen Verstellweg zwischen den Endlagen El und E2 von z. B. 6 mm läßt sich mit dieser Vorrichtung eine Verstellzeit von unter 0,1 sec. erzielen. Der elektrische Leistungsbedarf des Hochspannungsmodules 31 ist dabei kleiner als 5 Watt und der Außendurchmesser des Antriebsrades 4 kleiner als 100 mm.For a required adjustment of the camshaft 2 of z. B. 15 β and a maximum adjustment between the end positions El and E2 of z. B. 6 mm can be achieved with this device an adjustment time of less than 0.1 sec. The electrical power requirement of the high-voltage module 31 is less than 5 watts and the outer diameter of the drive wheel 4 is less than 100 mm.
Die geometrische Auslegung der Vorrichtung kann in weiten Bereichen den baulichen Gegebenheiten der Brennkraftmaschine angepaßt werden. Die Dimensionierung der Vorrichtung kann z. B. über die Verzahnungswinkel der schrägen Verzahnungen 5, 6 bzw. 10, 11, den erforderlichen VerstellWinkel der Nockenwelle 2, die Zusammensetzung der verwendeten Flüssigkeit F und die Rauheit der von der Flüssigkeit F benetzten Oberflächen beeinflußt werden. The geometric design of the device can be adapted to the structural conditions of the internal combustion engine in a wide range. The dimensioning of the device can, for. B. on the tooth angle of the oblique teeth 5, 6 or 10, 11, the required adjustment angle of the camshaft 2, the composition of the liquid F used and the roughness of the surfaces wetted by the liquid F can be influenced.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Vorrichtung zur selbsttätig gesteuerten Änderung der relativen Drehlage zweier Wellen in einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einer relativ zu einer sie antreibenden Welle (Kurbelwelle) in Abhängigkeit von Parametern der Brennkraftmaschine verdrehbaren Nockenwelle, und mit einem die Nockenwelle antreibenden, eine erste Verzahnung tragenden Antriebsrad, welches über ein axial mindestens in zwei Endlagen verschiebbares Koppelglied auf eine zweite, mit der Nockenwelle verbundene Verzahnung wirkt, wobei mindestens eine der beiden Verzahnungen eine Schrägverzahnung ist, gekennzeichnet durch einen ortsfesten, das Koppelglied (Zwischenrad 7) zumindest abschnittsweise koaxial umgebenden und einen dazwischen ausgebildeten Ringraum (17) begrenzenden Zwischenrad-Lagerring (16), wobei der Ringraum (17) mit einer Flüssigkeit (F) gefüllt ist, deren Viskosität durch Anlegen einer von einer elektronischen Steuereinrichtung (30) gelieferten Ausgangsspannung (UA2) derart veränderbar ist, daß eine aus einem auf das Zwischenrad (7) wirkenden Bremsmoment (MB) resultierende Axialkraft (FAX) das Zwischenrad (7) in Richtung einer der Endlagen (El, E2) verschiebt.1.Device for automatically changing the relative rotational position of two shafts in an internal combustion engine, with at least one camshaft that can be rotated relative to a shaft (crankshaft) depending on parameters of the internal combustion engine, and with a drive wheel that drives the camshaft and carries a first toothing, which acts on a second toothing connected to the camshaft via an axially displaceable coupling member in at least two end positions, at least one of the two toothingings being a helical toothing, characterized by a stationary toothing which coaxially surrounds the coupling member (intermediate wheel 7) at least in sections and is formed between them Intermediate wheel bearing ring (16) delimiting the annular space (17), the annular space (17) being filled with a liquid (F), the viscosity of which can be changed by applying an output voltage (UA2) supplied by an electronic control device (30), that an axial force (FAX) resulting from a braking torque (MB) acting on the intermediate wheel (7) shifts the intermediate wheel (7) in the direction of one of the end positions (El, E2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verzahnung (5) und die zweite Verzahnung (7) als Schrägverzahnung ausgebildet sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the first toothing (5) and the second toothing (7) are designed as helical teeth.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwischen Nockenwelle (2) und Zwischenrad (7) angeordnete Rückstellmittel (Tellerfeder 22), wobei das Zwischenrad (7) durch die von der Tellerfeder (22) verursachte Federkraft (FFE) in Richtung einer der Endlagen (El, E2) belastet ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized by between the camshaft (2) and the intermediate wheel (7) arranged restoring means (plate spring 22), the intermediate wheel (7) by the plate spring (22) caused by spring force (FFE) in the direction of the end positions (El, E2) is loaded.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein koaxial zwischen der Nockenwelle (2) und dem Zwischenrad (7) ausgebildetes Feststellager (21), welches mit einer Flüssigkeit (F) gefüllt ist, deren Viskosität durch Anlegen einer von der Steuereinrichtung (30) gelieferten Ausgangsspannung (UAl) derart veränderbar ist, daß eine der Bewegungsrichtung des Zwischenrades (7) entgegengesetzte axiale Feststellkraft (FAF) auf das Zwischenrad (7) wirkt.4. Device according to one or more of the preceding claims, characterized by a locking bearing (21) formed coaxially between the camshaft (2) and the intermediate wheel (7), which is filled with a liquid (F), the viscosity of which by applying one of the Control device (30) delivered output voltage (UAl) can be changed in this way is that an axial locking force (FAF) opposite the direction of movement of the intermediate wheel (7) acts on the intermediate wheel (7).
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenrad-Lagerring (16) beidseitig durch radial wirkende Dichtringe (27) begrenzt ist.5. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the intermediate wheel bearing ring (16) is delimited on both sides by radially acting sealing rings (27).
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Feststellager (21) beidseitig durch radial wirkende Dichtringe (20) begrenzt ist.6. The device according to claim 4, characterized in that the locking bearing (21) is delimited on both sides by radially acting sealing rings (20).
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Feststellagers (21) eine Elektrode (24) isoliert auf einem Segment (23) der Nockenwelle (2) angeordnet ist.7. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the region of the locking bearing (21) an electrode (24) is arranged isolated on a segment (23) of the camshaft (2).
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Ringraumes (17) eine Elektrode (25) isoliert in dem Zwischenrad-Lagerring (16) angeordnet ist.8. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the region of the annular space (17) an electrode (25) is arranged insulated in the intermediate wheel bearing ring (16).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (24, 25) über elektrisch leitende Verbindungen (32) an ein Hochspannungsmodul (31) der Steuereinrichtung (30) angeschlossen sind.9. Apparatus according to claim 8 and 9, characterized in that the electrodes (24, 25) via electrically conductive connections (32) to a high-voltage module (31) of the control device (30) are connected.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart der Nockenwelle (2) bzw. der Kurbelwelle Sensoren (Nockenwinkelgeber 33 bzw. Kurbelwinkelgeber 34) angeordnet sind, die einen aktuellen Differenzdrehwinkel (DW) erfassen und an das Hochspannungsmodul (31) angeschlossen sind.10. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that adjacent to the camshaft (2) or the crankshaft sensors (cam angle sensor 33 or crank angle sensor 34) are arranged which detect a current differential angle of rotation (DW) and to the high-voltage module ( 31) are connected.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuereinrichtung (30) mindestens ein Kennfeld (K) integriert ist, in dem in Abhängigkeit von Parametern (Drehzahl n, Last L, Öltemperatur T0) der Brennkraftmaschine optimale Differenzdrehwinkel (DW) gespeichert sind. 11. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the control device (30) at least one map (K) is integrated, in which, depending on parameters (speed n, load L, oil temperature T0) of the internal combustion engine optimal differential rotation angle (DW) are saved.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuereinrichtung (30) mindestens eine Liste (B) integriert ist, in der den Differenzdrehwiπkeln (DW) zugeordnete Ausgangsspannungen (UAl, UA2) gespeichert sind. 12. The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that at least one list (B) is integrated in the control device (30), in which the output voltages (UAl, UA2) associated with the differential rotation angles (DW) are stored.
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