DE102009014979B4

DE102009014979B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Änderung der Phasen zwischen zwei Steuerelementen

Info

Publication number: DE102009014979B4
Application number: DE102009014979A
Authority: DE
Inventors: Siavoosh Ilami Fard; Sepehr Ilami Rard
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: DE102009014979A1

Abstract

Vorrichtung zur Änderung Länge eines Transmissionsmittels (13) zwischen mindestens zwei drehbar angeordneten Steuerelementen (2, 2') mit mindestens zwei mechanisch gesteuerten Stellelementen (3, 3') und mindestens einem Ausgleichselement (6), die über das Transmissionsmittel (13) miteinander in Wirkverbindung stehen, wodurch die Relativbewegung zwischen den beiden Steuerelementen (2, 2') geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den mindestens zwei drehbar angeordneten Steuerelementen (2, 2') zwei mechanisch gesteuerte Stellelemente (3, 3') angeordnet sind, die mit einer ersten rotierenden Gewindewelle (5) im Eingriff stehen und mindestens ein mechanisch gesteuertes Ausgleichselement (6), das mit einer zweiten rotierenden Welle (7) im Eingriff steht, die gemeinsam über ein Zahnradgetriebe (8, 9, 11) miteinander gekoppelt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zur Änderung der Phasen zwischen zwei Steuerelementen, insbesondere mit der Steuerung zweier Nockenwellen einer Verbrennungskraftmaschine, die mit einem Transmissionsmittel in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle gesteuert werden.
Derartige Vorrichtungen sind aus der DE 39 33 878 A1 bekannt geworden. Diese Druckschrift offenbart eine Einrichtung zum stufenlosen Verstellen der Steuerzeiten von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen, wobei die Steuerung über Drehgelenke mit gleichartig ausgebildeten Hebelgliedern ausgeführt wird. Ferner ist im Stand der Technik aus der DE 10 2005 010 247 A1 eine variable Ventilsteuerung zu entnehmen, bei der die Ventilhubbeeinflussung mittels geregelter Phasenverschiebungen im mechanischen Zusammenhang zwischen Kurbel- und/oder Antriebs- und/oder Nockenwelle bewirkt wird. Dabei sind die beiden zu steuernden Nockenwellen über ein elastisches Transmissionsmittel, z. B. einem Zahnriemen, miteinander gekoppelt. Die Kopplung durch das Transmissionsmittel wird hierbei mit zwei Riemenscheiben, die wechselseitig gegen die Normalstellung des Transmissionsmittels einwirken, geregelt. Als nachteilig an dieser Phasenregelung wird es empfunden, dass zwar eine prinzipielle Lösung einer Regelung der Phasenverschiebungen zwischen zwei Steuerelementen angesprochen wird, aber keine technische Lösung aufgezeigt wird und dass das Transmissionsmittel zwischen den beiden zu steuernden Nockenwellen unterschiedlichen mechanischen Spannungen ausgesetzt ist. Dies führt zu einer unnötigen mechanischen Belastung und daher zu einer frühzeitigen Alterung des Transmissionsmittels und einem verhältnismäßig großem Verschleiß. Ferner ist aus der DE 2 249 310 eine Ventilsteuerung für Brennkraftmaschinen bekannt geworden, bei der zwei parallel angeordnete kettengetriebene Nockenwellen paarweise auf einen Betätigungshebel eines gemeinsamen Ventils einwirkenden Nocken gegeneinander phasenverschiebbar sind, indem durch eine Stellvorrichtung über Spannrollen ein Trum des Kettentriebes verkürzt oder verlängert wird. Bei dieser Erfindung werden beide Nockenwellen von einer gemeinsamen Kette getrieben, die zwischen den Nockenwellen mit einer federbelasteten Spannrolle eine Schleife bildet, die infolge von Zug- oder Druckbelastungen der gemeinsamen Steuerkette verlängert oder verkürzt wird. Dadurch ändern sich die Schließ- und Öffnungszeiten der einzelnen Ventile bzw. werden die Drehphasen der zu steuernden Nockenwellen verändert. Ein Nachteil an dieser Vorrichtung ist darin zu sehen, dass die gemeinsame Antriebskette unterschiedlichen Druck- oder Zugbelastungen ausgesetzt ist und somit die Steuerkette dynamisch belastet wird. Diese Belastungen führen selbstverständlich zu erhöhten Verschleißerscheinungen, sodass auch hier die Standzeit der Steuerkette erheblich verkürzt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Spannfeder zusammen mit der Spannrolle eine Eigenfrequenz hat, die in Resonanzfall zu Störungen führen muss.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Zugbelastung des Transmissionsmittels zur Steuerung der Drehphasen zweier miteinander gekoppelter Wellen konstant zu halten und die einfach und kostengünstig in der Herstellung ist sowie in bestehende Konstruktionen von Verbrennungskraftmaschinen integriert werden kann.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Änderung der Länge eines Transmissionsmittels zwischen mindestens zwei drehbar angeordneten Steuerelementen mit mindestens zwei mechanisch gesteuerten Stellelementen und mindestens einem Ausgleichselement, die über das Transmissionsmittel miteinander in Wirkverbindung stehen, wodurch die Relativbewegung zwischen den beiden Steuerelementen geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den mindestens zwei drehbar angeordneten Steuerelementen zwei mechanisch gesteuerte Stellelemente angeordnet sind, die mit einer ersten rotierenden Gewindewelle im Eingriff stehen und mindestens ein mechanisch gesteuertes Ausgleichselement, das mit einer zweiten rotierenden Welle im Eingriff steht, die gemeinsam über ein Zahnradgetriebe miteinander gekoppelt sind.
Dabei ist es vorteilhaft, dass die Vorrichtung durch mindestens ein mechanisch gesteuertes Ausgleichselement, das durch mindestens ein mechanisches Führungselement zwischen den mindestens zwei drehbar angeordneten Elementen so angeordnet ist, dass die Strecke zur Kraftübertragung zwischen den drehbaren Elementen veränderbar ist.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das Transmissionsmittel eine Steuerkette ist, die entweder aus Metall oder einem geeigneten Kunststoff oder Gummi gefertigt ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die rotierenden Wellen des mindestens einen Stellgliedes mit einem Gewindeaufsatz in einer mechanischen Führung angeordnet sind und die rotierenden Wellen mindestens ein Gewinde aufweisen, wobei die rotierenden Wellen allgemein als Stellglieder ausgebildet sind.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, dass eine Welle ein Rechtsgewinde und ein Linksgewinde aufweist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mindestens ein Stellglied als Zylinder ausgebildet ist, der hydraulisch oder pneumatisch betrieben wird und anstatt eines Rechts- und eines Linksgewindes zwei getrennte Stellglieder aufweist.
Vorteilhaft ist es auch, dass mindestens ein Stellglied direkt elektrisch durch einen separaten Antriebsmotor betrieben wird.
Vorteilhaft ist es auch, dass die rotierenden Wellen über ein Getriebe miteinander gekoppelt sind.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Getriebe durch einen steuerbaren Antrieb, der ein Schrittmotor sein kann, angetrieben wird.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das Drehzahlverhältnis der ersten Welle zur zweiten rotierenden Welle ein vorbestimmtes Verhältnis aufweist, zum Beispiel 1:2 ist, wobei dieses Drehzahlverhältnis durch andere Antriebe als durch ein Zahnradgetriebe geregelt werden kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Stellglied zwei getrennte Antriebe aufweisen kann, wie z. B. zwei Druckzylinder, wobei Servoventile eingesetzt werden.
Vorteilhaft ist es ferner, dass der Schrittmotor von einer Steuerelektronik angesteuert wird, die eine unmittelbare und/oder mittelbare Rückführung zur Drehzahl der Kurbelwelle aufweist.
Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, dass die Kurbelwelle über ein zweites Transmissionsmittel mit einem drehbar gelagerten Element versehen ist, das synchron mit dem drehbar gelagerten Steuerelement rotiert, um jede Nockenwelle separat, d. h. unabhängig von der anderen Nockenwelle, zu steuern.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in bereits bestehende Konstruktionen von Verbrennungskraftmaschinen mühelos integriert werden kann.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Im nun Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1);
2: eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils der Führungsschiene (12, 12') und einer Welle (Stellschraube 5 u. Kompensationsschraube 7) mit einem Zahnrad (8, 11).
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die beiden drehbar gelagerten Steuerelemente 2, 2' sind mit einer nicht dargestellten Nockenwelle fest verbunden und werden mittels eines Transmissionsmittels 13 in Form eines Endlosbandes angetrieben, welches ferner eine Mehrzahl von Umlenkrollen 3, 3', 4, 4', 4'', 6 zumindest teilweise umschließt. Das Steuerelement 2' wird zunächst in Richtung des Pfeils A durch ein weiter unten zu beschreibendes Transmissionsmittel in Drehbewegung versetzt. Infolge der relativ starren Kopplung zwischen dem Transmissionsmittel 13 und den Steuerelementen 2, 2' wird das Steuerelement 2 gleichzeitig in eine Drehbewegung in Richtung des Pfeils B in Rotation versetzt. Zum gleichen Zeitpunkt werden selbstverständlich auch die Umlenkelemente 3, 3', 4, 4', 4'', 6 in eine Drehbewegung versetzt, da alle Elemente mit einem einzigen Transmissionsmittel 13 verbunden sind. Das Transmissionsmittel 13 kann eine Steuerkette aus Stahl oder einem Zahnriemen bestehen. Das Material des Transmissionsmittels ist dabei entsprechend der Gesamtkonstruktion der Vorrichtung zu wählen, z. B. aus Kunststoff, Gummi oder Stahl. Zum Startzeitpunkt stehen sich die beiden Pfeilspitzen C, C' direkt gegenüber und werden sich bei Nichtverstellen der Stellelemente 3, 3' nach einer Umdrehung exakt wieder gegenüberstehen und keinerlei Phasenverschiebung aufweisen. Werden nun die Stellelemente 3, 3' voneinander weg bewegt, so verlängert sich die gesamte Wegstrecke des Transmissionsmittels 13 zwischen dem Steuerelement 2 und dem Steuerelement 2', sodass bei gleicher Drehgeschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit des Steuerelements 2' das Steuerelement 2 eine Phasenverschiebung in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit der beiden Steuerelemente 2, 2' erfährt, sodass sich die beiden Pfeilspitzen C, C' bei einer Umdrehung des Steuerelements 2' nicht mehr exakt gegenüberstehen. Somit tritt bereits bei einer geringen Änderung des Abstands D zwischen den Stellelementen 3, 3' eine spürbare Phasenverschiebung zwischen den Steuerelementen 2, 2' ein. Die Längenänderung der gesamten Wegstrecke zwischen dem Steuerelement 2 und dem Steuerelement 2' wird durch Veränderung der Position eines weiteren Ausgleichelements 6 kompensiert. Dabei umschließt das Transmissionsmittel 13 zumindest teilweise die Umlenkelemente 4, 4', 4'', die das Endlosband über das Ausgleichselement 6 lenken. Die Stellelemente 3, 3' stehen mit einer Welle 5 in Wirkverbindung. Die Drehwelle 5 weist auf der einen Seite ein Linksgewinde 15' und auf der anderen Seite ein Rechtsgewinde 15 auf. Die Drehwelle 5 durchlauft eine Führungsschiene 12 (s. 2) in der ein Schiebeteil 18 mit einer Gewindebohrung geführt wird. Dieses Schiebeteil 18 steht mit der Achse der Stellelemente 3, 3' in Verbindung, wobei die Stellelemente auf dem Schiebeteil 18 bzw. 18' drehbar gelagert sind. Aufgrund der unterschiedlichen Gewinde 15, 15' (rechts/links) werden sich die Stellelemente 3, 3' bei einer Drehung der Welle 5 entweder voneinander weg oder aufeinander zu bewegen. Durch diese Linearbewegung der beiden Stellelemente wird dann die gesamte Wegstrecke zwischen den Steuerelementen 2, 2' geändert. Diese Längenänderung der Wegstrecke zwischen den beiden Steuerelementen 2, 2' wird durch eine Bewegung des Ausgleichselements 6 ausgeglichen. Das Ausgleichselement 6 ist, ähnlich wie die Stellelemente 3, 3', drehbar auf einem Schiebeteil 18'' gelagert (s. 2). Das Schiebeteil 18'' steht mit einem Gewinde 19 auf der Welle 7 im Eingriff. Bei Drehung der Welle 7 bzw. des Gewindes 19 in eine vorbestimmte Richtung, die synchron mit der Drehung der Welle 5 gesteuert wird, verschiebt sich das Ausgleichselement 6 in die jeweilige Richtung. Wird die Wegstrecke zwischen den Steuerelementen 2, 2' länger, so bewegt sich das Ausgleichselement in Richtung des Endes des Gewindes 19 zur Konstanthaltung der Spannung des Transmissionsmittels, weil die Länge und die Spannung des Transmissionselementes zeit- und ortsunabhängig konstant ist. Die Wellen 5, 7 werden mittels eines Getriebes, das aus den Zahnrädern 8, 9, 11 besteht, angetrieben. Dabei drehen sich die beiden Wellen 5, 7 bei Rotation des Zahnrades 9 immer in gleicher Drehrichtung. Die Drehgeschwindigkeiten der Zahnräder 8, 11 stehen in einem vorbestimmten Verhältnis, das beispielsweise 2:1 bestimmt werden kann. Das Getriebeelement 9, das in der Regel ein Zahnrad ist, wird über die Welle 9' von einem Schrittmotor 10 angetrieben. Der Schrittmotor 10 wird wiederum von einer elektronischen Steuerung angesteuert, die andererseits mit der Kurbelwelle 17 in Wirkverbindung steht und somit ein Feedback von der Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle erhält, wonach die Steuerung des Schrittmotors geregelt wird. Aber auch andere Informationen des Motors wie beispielsweise die Belastung, Lufteintrittsklappenwinkel, Luftdruck und Temperatur, Lambdasensor u. s. w. werden der elektronischen Steuerung zugeführt. Unabhängig von dem hier beschriebnen Ausführungsbeispiel der Stellvorrichtung können in einem anderen Ausführungsbeispiel die Wellen 5, 7 auch ersetzt werden durch separate hydraulische, pneumatische oder elektrische Antriebe, die auf die Schiebeteile 18, 18', 18'' einwirken. Die Vorrichtung 1 stellt in gewisser Hinsicht ein Differenzialgetriebe dar, bei dem sich die Gesamtlänge des Transmissionsmittels 13 bei Änderung der Phasen der Steuerelemente 2, 2' nicht ändert. Das Steuerelement 2' im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird von einem in dieser Zeichnung nicht dargestellten Zahnrad über ein weiteres Transmissionsmittel 20 angetrieben, das mit der Kurbelwelle 17 in einer nahezu starren Verbindung steht.
Infolge der einfach einzustellenden Phasenverschiebungen zwischen den beiden Steuerelementen 2, 2', die mit der Nockenwelle zur Steuerung der Ventil-Schließungen und -Öffnungen verbunden sind, können optimale Schließ- und Öffnungszeiten der Ventile eingestellt werden, die den Primärenergieverbrauch drastisch vermindern können. Insgesamt wirkt es sich als äußerst vorteilhaft auf den gesamten Steuerungsablauf der Ventile aus, dass das Spiel zwischen den einzelnen Steuerelementen sehr gering ist und dadurch kurze Ansprechzeiten gewährleistet sind.
Die 2 zeigt beispielsweise eine perspektivische Darstellung eines Teilstücks einer Führungsschiene 12 bzw. 12', die Teil des Zylinderblocks sein kann, mit einem darin gelagerten Schiebeteil 18 und 18' bzw. 18'' auf dem die Stellelemente 3, 3' bzw. das Ausgleichselement 6 drehbar gelagert sind. Das Schiebeteil 18, 18', 18'' steht mit einem Gewinde 19 auf der Welle 7 im Eingriff. Die Welle 7 weist am Ende ein Zahnrad 8 bzw. 11 auf, welches Teil des oben beschriebenen Getriebes ist. Infolge der Drehung der Welle 7 wird das Schiebeteil 18, 18', 18'' in der Führungsschiene 12 bzw. 12' je nach Drehrichtung, hin und her bewegt.

Claims

Vorrichtung zur Änderung Länge eines Transmissionsmittels (13) zwischen mindestens zwei drehbar angeordneten Steuerelementen (2, 2') mit mindestens zwei mechanisch gesteuerten Stellelementen (3, 3') und mindestens einem Ausgleichselement (6), die über das Transmissionsmittel (13) miteinander in Wirkverbindung stehen, wodurch die Relativbewegung zwischen den beiden Steuerelementen (2, 2') geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den mindestens zwei drehbar angeordneten Steuerelementen (2, 2') zwei mechanisch gesteuerte Stellelemente (3, 3') angeordnet sind, die mit einer ersten rotierenden Gewindewelle (5) im Eingriff stehen und mindestens ein mechanisch gesteuertes Ausgleichselement (6), das mit einer zweiten rotierenden Welle (7) im Eingriff steht, die gemeinsam über ein Zahnradgetriebe (8, 9, 11) miteinander gekoppelt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Transmissionsmittel (13) eine Steuerkette ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkette aus Metall oder Kunststoff ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Transmissionsmittel (13) ein Zahnriemen aus
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten und der zweiten mechanische Führung (12, 12') jeweils mindestens eine rotierende Welle (5, 7) als Stellglied angeordnet ist, die mindestens ein Gewinde (15, 15', 19) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stellglied hydraulisch oder pneumatisch oder elektrisch durch einen steuerbaren Antrieb (10), der ein Schrittmotor sein kann, angetrieben wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied direkt durch mindestens einen separaten Regelmotor angetrieben wird.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Welle (5) mindestens ein Rechtsgewinde (15) und mindestens ein Linksgewinde (15') aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (5) zwei getrennte Antrieb, z. B. zwei Druckzylinder, aufweist, wobei Servoventile eingesetzt werden.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehzahlverhältnis der ersten Welle (5) zur zweiten rotierenden Welle (7) ein vorbestimmtes Verhältnis aufweist und beispielsweise 1:2 ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (10) von einer Steuerelektronik (16) angesteuert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbelwelle (17) über ein zweites Transmissionsmittel (20) mit dem drehbar gelagerten Steuerelement (2') verbunden ist.