DE4323671A1 - Stufenlose Nockenwellenverstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung zwischen einem an treibenden und einem anzutreibenden Wellenabschnitt zur Erreichung einer stufenlosen Winkelverstellung, in Anlehnung an die im Oberbe­ griff des Anspruchs 1 genannten Merkmale.

Die in Brennkraftmaschinen eingesetzten Nockenwellen betätigen die Gaswechselventile entsprechend dem Profil ihrer Nocken. Feste Ventil­ steuerzeiten sind ein Kompromiß vor allem hinsichtlich der Anforde­ rung an Nennleistung und Drehmoment. Es ist bekannt, zur Optimierung der Steuerzeiten eine Phasenverschiebung der Steuerzeiten vorzunehmen, das heißt bei einer Brennkraftmaschine wird die Stellung der Nocken­ welle im Verhältnis zur Kurbelwelle um einen bestimmten Kurbelwinkel verschoben, mit der Folge, daß eine Änderung der Ventilüberschneidung entsteht. Bei kleinen Drehzahlen und im Niedriglastbetrieb ist unter anderem aus Gründen der Laufruhe und der Abgasqualität eine kleine Ventilüberschneidung vorteilhaft. Dagegen ist bei großen Drehzahlen und zur Erreichung einer hohen Leistung eine große Ventilüberschnei­ dung wünschenswert.

Zur Erreichung einer veränderten Ventilüberschneidung sind sogenannte Phasenwandler im Nockenwellenantrieb bekannt. Diese verändern mecha­ nisch die Lage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle in Abhängigkeit von Drehzahl und Last. Ziel dieser Maßnahme ist es, eine Verbrauchs­ reduzierung und/oder eine Verbesserung des Drehmomentverlaufs zu erreichen.

Aus der EP-A-0 112 494 geht eine variable Nockenwellenverstellung hervor, die einen hydraulisch betätigbaren Differenzkolben aufweist, der kreisringförmig aufgebaut ist und mit einer Innen- und einer Außenverzahnung versehen ist, wobei eine Verzahnung als Schrägver­ zahnung ausgeführt ist. Eine axiale Verschiebung des Kolbens bei einer Druckbeaufschlagung bewirkt eine Phasenverschiebung zwischen den über die Verzahnung mit dem Kolben in Verbindung stehenden Bauteilen, dem Nockenwellenantriebsritzel sowie einem unmittelbar mit der Nockenwelle verbundenen Bauteil.

Als weitere bekannte Vorrichtung zeigt die EP-A-0 163 046 eine Vor­ richtung zur Winkelverstellung einer Nockenwelle, bei der eine einge­ baute Nockenwelle im Bereich einer Lagerstelle mit einer Druckmittel­ zuführung für eine hydraulische Verstellvorrichtung versehen ist. Der Aufbau sieht dazu Ölbohrungen im Gehäuse vor, in der die Nockenwelle gelagert ist und über die Drucköl radial im Bereich der Nockenwellen­ lagerung über Umlaufnuten in die Nockenwelle geleitet wird. Durch Stichbohrungen gelangt das Drucköl weiter in axial verlaufende, in die Nockenwelle eingebrachte Bohrungen, die das Drucköl zu Verstellkolben weiterleiten, deren radiale Bewegung Einfluß auf die jeweils mit dem Kolben verbundene Kugel nimmt, die andererseits an Verstellrampen anliegt.

Abhängig vom Steuerdruck wird die Lage der Kugel und damit der Ver­ stellrampen bestimmt, die Einfluß auf die Relativverschiebung zwischen der antreibenden und der anzutreibenden Welle nimmt.

Nachteilig erfordern die bekannten Ausführungen einen speziellen Nockenwellenaufbau wie auch entsprechende Anpassungsmaßnahmen für die Druckmittelzuströmung, die aufwendig, kostenintensiv sind und eine bauraumvergrößernde Wirkung besitzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine geringe Verstellkräfte erfordernde Vorrichtung zu realisieren mit einem großen Verstellbereich, die einfach montierbar ist, eine spielfreie und geräuscharme Funktion sicherstellt und außerdem kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst.

Danach ist zur Winkelverstellung zwischen einer Nockenwelle und einem Rollenträger, der mit einem Antriebsritzel versehen ist, eine zweistu­ fige Keilübersetzung vorgesehen, mit der ein vorteilhaft großer Ver­ stellbereich realisierbar ist. Der Aufbau sieht dazu eine mittelbare, federkraftbeaufschlagte Kopplung der Nockenwelle mit dem Rollenträger über Verstellkeile vor, die verschiebbar in einem drehfest auf der Nockenwelle angeordneten Keilträger geführt sind. Vorteilhaft ergibt sich dadurch auf engstem Bauraum ein den Erfordernissen entsprechender Verstellbereich bei gleichzeitig geringem Verstellweg. Bedingt durch die kraftschlüssig miteinander in Verbindung stehenden, die Verstel­ lung auslösenden Bauteile, stellt sich weiter eine der Aufgabenstel­ lung gerechte spielfreie und geräuscharme Verstellung ein. Die einzel­ nen, die Verstellvorrichtung bildenden Bauteile sind weitestgehend rotationssymmetrisch gestaltet, wodurch eine kostengünstige Verstell­ vorrichtung herstellbar ist, die außerdem eine einfache Montage er­ möglicht.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist nach Anspruch 2 der Nocken­ welle eine axial verschiebbare, mit Verstellrampen versehene Verstell­ hülse zugeordnet, auf der radial verschiebbare Verstellkeile geführt sind (1. Stufe der Keilübersetzung). Die Verstellkeile weisen seitlich jeweils eine Keilfläche auf, an die Übertragungsrollen anliegen, die im Rollenträger lagefixiert sind (2. Stufe der Keilübersetzung). Erfindungsgemäß löst eine axiale Verschiebung der Verstellhülse und der damit verbundenen Verstellrampen ein radiales Auslenken der Ver­ stellkeile aus, deren Bewegung wiederum eine Relativverdrehung zwi­ schen dem Rollenträger und dem Keilträger verursacht, womit eine Phasenlagenänderung zwischen dem Nockenantrieb und der Nockenwelle erreicht wird. Damit stellt sich auf engstem Bauraum eine gewünschte Winkelverstellung zwischen dem antreibenden und dem angetriebenen Wellenabschnitt ein.

Gemäß dem Anspruch 3 bildet der Rollenträger zur Erreichung einer kompakten Bauweise mit dem Antriebsritzel eine Einheit und ist drehbar auf einem Nabenabschnitt des Keilträgers geführt. Bedingt durch eine gestufte Bauweise des Rollenträgers bildet dieser außerdem ein Festla­ ger für die Nockenwelle, das heißt ein kombiniertes Radial-Axiallager.

Der weitestgehend die gesamte Verstellvorrichtung axial und radial umschließende Rollenträger ist stirnseitig erfindungsgemäß mit einem Deckel versehen, der zentrisch mit einer Ausnehmung zur Durchführung der Verstellhülse versehen ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 4 der vom Rollenträger axial und radial überdeckte Keilträger lagefixiert mit der Nockenwelle verbunden. Dazu bietet sich beispielsweise eine Ver­ zahnung oder eine Verschraubung an.

Nach Anspruch 5 sind die Verstellrampen der Verstellhülse entgegen­ gesetzt geneigt angeordnet, wodurch sich vorteilhaft die Reaktions­ kräfte der dynamischen Nockenwellenwechselmomente weitestgehend kom­ pensieren, was sich weiter förderlich auf die Verstellkraft zur Ver­ lagerung der Verstellhülse auswirkt.

In einer weiteren Ausbildung ist gemäß Anspruch 6 zum wirksamen Spiel­ ausgleich aller die Winkelverstellung auslösenden Bauteile eine exzen­ trisch gelagerte Übertragungsrolle vorgesehen, die mittels eines Verstellhebels und einer daran angreifenden Vorspannfeder ein Anliegen der Übertragungsrolle am Verstellkeil in allen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine sicherstellt.

Gemäß der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 ist zur Minde­ rung der in die Verstellvorrichtung eingeleiteten Reaktionskräfte der Nockenwelle, bedingt durch die Wechseldrehmomente, eine hydraulische Dämpfung vorgesehen. Vorteilhaft sind dazu beispielsweise Ölräume innerhalb der Verstellhülse vorgesehen, in die ein abgesetzter Ab­ schnitt der Nockenwelle hineinragt, wobei die Ölräume über Leckspalte verbunden sind. Eine Verschiebung der Verstellhülse bedingt somit gleichzeitig ein Verlagern eines Ölvolumens zwischen zwei Ölräumen, wobei der Durchfluß durch Leckspalte gehemmt wird, was gleichzeitig eine Dämpfung der Stellbewegung bewirkt.

Nach Anspruch 8 erfolgt eine Verlagerung der Verstellhülse mittels eines Stellgliedes, das von einer elektronischen Regelung der Brenn­ kraftmaschine ansteuerbar ist. Erfindungsgemäß ist damit eine an die Drehzahl oder Last der Brennkraftmaschine angepaßte stufenlose Ver­ stellung der Nockenwelle erzielbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Längsschnitt den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung;

Fig. 2 die Ansicht gemäß dem Schnitt A-A aus Fig. 1;

Fig. 3 in einer Detailansicht eine hydraulische Dämpfung zwi­ schen der Nockenwelle und der Verstellhülse.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Verstellvorrichtung 1 im einge­ bauten Zustand dargestellt, die endseitig auf einem mehrfach abgestuf­ ten Abschnitt einer Nockenwelle 2 angeordnet ist. Ein Rollenträger 3, der endseitig ein Antriebsritzel 4 aufweist, ist drehbar auf einem Keilträger 5 gelagert. Weiterhin bildet der Rollenträger 3 eine Radi­ allagerstelle 6 und zwei Axiallagerstellen 7 für die Nockenwelle 2 in einem Zylinderkopf 8 einer Brennkraftmaschine. Eine Dichtung 9 ist zwischen dem Zylinderkopf und dem rotierenden Rollenträger 3 vorgese­ hen. Phasengleich mit dem Keilträger 5 und folglich mit der Nockenwel­ le 2 rotieren zwei gegenüberliegend in einem radial nach außen gestuf­ ten Abschnitt im Keilträger 5 angebrachte, radial geführte Verstell­ keile 10a, 10b. Die Verstellkeile 10a, 10b sind in Richtung der Nok­ kenwelle 2 zeigend jeweils mit einer Rampenrolle 11a, 11b versehen, die kraftschlüssig an einer Verstellrampe 12 anliegen. Die ebenfalls gegenüberliegend angeordneten, eine gegenläufige zueinander parallele Schräge aufweisenden Verstellrampen 12a, 12b bilden mit einer axial verschiebbaren Verstellhülse 13 eine Einheit. Mit dem Rollenträger 3 rotieren phasengleich zwei Übertragungsrollen 14a, 14b, die fest positioniert als Anschlag und Führung der Verstellkeile 10 dienen. Der rotationssymmetrisch gestaltete Rollenträger 3 umschließt weitestge­ hend alle Bauteile der Verstellvorrichtung 1 und ist stirnseitig mit einem Deckel 15 versehen. Zentrisch weist der Deckel 15 eine Ausneh­ mung auf zur Durchführung der Verstellhülse 13, die durch einen Dicht­ ring 16 eine Abdichtung erfährt. Eine Verstellstange 17 ist über ein Axiallager 18 mit der Verstellhülse 13 verbunden.

Eine Veränderung der Phasenlage zwischen der antreibenden Einheit, bestehend aus dem Antriebsritzel 4 und Rollenträger 3 und dem anzu­ treibenden Keilträger 5, ist auslösbar über die Verstellstange 17. In Fig. 1 ist die Verstellstange 17 am linken Anschlag anliegend darge­ stellt. Dadurch ist der Verstellkeil 10a radial nach innen auf der Verstellhülse 13 anliegend verschoben und der Verstellkeil 10b radial nach außen verlagert. Relativ zum Rollenträger 3 nimmt dabei der Keilträger 5 eine maximale Drehlage im Gegenuhrzeigersinn gegenüber der Nockenwelle 2 ein. Für eine im Uhrzeigersinn rotierende Nockenwel­ le 2 (Fig. 2) bedeutet dies eine Verstellung nach "spät". Um eine entgegengesetzte Verstellung der Nockenwelle 2 nach "früh" zu errei­ chen, ist eine Bewegung der Verstellhülse 13 gemäß Fig. 1 in Richtung "z" erforderlich (siehe Pfeilangabe). Dabei wird der Verstellkeil 10a radial nach außen bewegt, wobei sich im gleichen Maße der untere Verstellkeil 10b nach innen nachstellt. Synchron zur Verlagerung der Verstellkeile 10a, 10b werden die Übertragungsrollen 14a, 14b im Gegenuhrzeigersinn verdreht und damit gleichzeitig der Rollenträger 3. Als Ergebnis dieser nach "z" verlagerten Verstellhülse 13 stellt sich somit eine Relativverdrehung zwischen dem Antriebsritzel 4 und der Nockenwelle 2 in Richtung "früh" ein.

Der Spielausgleich der Verstellvorrichtung 1 erfolgt über einen Spiel­ ausgleichsexzenter 21, der eine exzentrisch gelagerte Übertragungs­ rolle 14a aufweist, an der ein Verstellhebel 20 angeordnet ist, an dessen Ende eine Vorspannfeder 19 befestigt ist, wodurch die Übertra­ gungsrolle 14a an den Verstellkeil 10a angedrückt wird. Aufgrund der Übersetzung der Exzenteranordnung reicht eine geringe Federkraft aus um eine ausreichende Vorspannung zu erreichen, mit der einerseits eine Spielfreiheit der Verstellvorrichtung 1 gewährleistet ist und anderer­ seits verhindert wird, daß die Übertragungsrolle 14a bedingt durch das Wechselmoment der Nockenwelle 2 vom Verstellkeil 10a abhebt. Die durch diese Vorspannung ausgelösten Kräfte auf die Verstellrampen 12a, 12b werden kompensiert aufgrund der gegensinnigen Wirkrichtung beider Rampen und dadurch, daß sich die Kräfte gleichwertig an beiden Über­ tragungsrollen 14a, 14b abstützen.

Bedingt durch die zweistufige Keilübersetzung:
Stufe 1, Übergang vom Rollenträger 3 auf den Verstellkeil 10;
Stufe 2, Übergang vom Verstellkeil 10 auf die Übertragungsrolle 14;
ergeben sich geringe Verstellkräfte. Zudem kompensieren sich teilweise die Reaktionskräfte auf die Verstellkeile 10a, 10b und damit auf die Verstellrampen 12a, 12b, die durch die dynamischen Wechselmomente her­ vorgerufen werden.

In Fig. 3 ist eine hydraulische Dämpfung für die Verstellhülse 13 dargestellt. Dazu weist die Verstellhülse 13 zwei Ölräume 23a, 23b auf, die über eine mittige Bohrung 25 verbunden sind. Ein endseitig gestufter Abschnitt der Nockenwelle 2 ist durch die Bohrung 25 geführt und am freien Ende mit einer Scheibe 26 versehen. Damit sind zwei Leckspalte 24a, 24b gebildet im Bereich der Bohrung 25 und im Bereich zwischen der Bohrung des Ölraums 23b und der Scheibe 26. Zur Befüllung der Ölräume 23a, 23b gelangt eine Steuerflüssigkeit, insbesondere Schmieröl, durch eine zentrisch in der Nockenwelle 2 eingebrachte Längsbohrung 22 in die versetzt angeordneten Ölräume 23a, 23b. Damit verursacht eine Axialbewegung der Verstellhülse 13 gleichzeitig ein Verlagern einer Dämpfungsflüssigkeit von dem einen Ölraum in den benachbarten Ölraum, wobei der Druckmittelfluß durch die beiden Leck­ spalte 24a, 24b behindert wird.

Bezugszeichenliste

1 Verstellvorrichtung
2 Nockenwelle
3 Rollenträger
4 Antriebsritzel
5 Keilträger
6 Radiallager
7 Axiallager
8 Zylinderkopf
9 Dichtung
10 Verstellkeil
11 Rampenrolle
12 Verstellrampe
13 Verstellhülse
14 Übertragungsrolle
15 Deckel
16 Dichtring
17 Verstellstange
18 Axiallager
19 Vorspannfeder
20 Verstellhebel
21 Spielausgleichselement
22 Längsbohrung
23 Ölraum
24 Leckspalt
25 Bohrung
26 Scheibe

Claims (8)

1. Verstellvorrichtung zwischen einem antreibenden, mit einem An­ triebsritzel versehenen Wellenabschnitt und einem anzutreibenden Wellenabschnitt, mit der eine stufenlose Winkelverstellung erreichbar ist, insbesondere eingesetzt in Brennkraftmaschinen zum Antrieb einer Nockenwelle oder einer Diesel-Einspritzpumpe, wobei die Wellenab­ schnitte koaxial angeordnet sind und eine Verstellung mittels Ver­ stellrampen erfolgt, die an einem Wellenabschnitt angeordnet sind und mit am benachbarten Wellenabschnitt befindlichen, radial verschieb­ baren Übertragungsmitteln kraftschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Winkelverstellung zwischen einer Nockenwelle (2) und einem Rollenträger (3) eine zweistufige Keilübersetzung vor­ gesehen ist, wobei eine mittelbare, federkraftbeaufschlagte Kopplung der Nockenwelle (2) mit dem Rollenträger (3) über Verstellkeile (10a, 10b) erfolgt, die verschiebbar in einem drehfest auf der Nockenwelle (2) angeordneten Keilträger (5) geführt sind, wobei die Verstellkeile (10a, 10b) mit im Rollenträger (3) lagefixierten Übertragungsrollen (14a, 14b) zusammenwirken.

2. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Nockenwelle (2) eine axial verschiebbare, mit Verstellrampen (12a, 12b) versehene Verstellhülse (13) zugeordnet ist, die mit radial im Keilträger (5) verschiebbaren Verstellkeilen (10a, 10b) gekoppelt sind, an deren Keilflächen die Übertragungsrollen (14a, 14b) anliegen.

3. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der mit dem Antriebsritzel (4) eine Einheit bildende Rollenträger (3), drehbar auf einem Nabenabschnitt des Keilträgers (5) geführt ist und stirnseitig einen Deckel (15) aufweist.

4. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der vom Rollenträger (3) axial und radial überdeckte Keilträger (5) drehfest mit der Nockenwelle (2) verbunden ist.

5. Verstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellrampen (12a, 12b) zueinander entgegengesetzt geneigte An­ laufflächen aufweisen.

6. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Spielausgleich aller die Winkelverstellung auslösenden Bauteile eine exzentrisch gelagerte Übertragungsrolle (14a) dient, die mittels einer Vorspannfeder (19) und eines Verstellhebels (20) ein Anliegen der Übertragungsrolle (14a) am Verstellkeil (10a) sicherstellt.

7. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minderung der in die Verstellvorrichtung (1) eingeleiteten Reak­ tionskräfte der Nockenwelle (2) eine hydraulische Dämpfung vorgesehen ist.

8. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellung der Verstellhülse (13) mittels eines Stellgliedes er­ folgt, das von einer elektronischen Steuereinrichtung der Brennkraft­ maschine ansteuerbar ist.