DE60302926T2 - Verriegelungsstift eines Nockenwellenverstellers mit gekrümmter Entlüftungsstrecke zur Erzeugung einer hydraulischen Verzögerung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Steuersystem zum Steuern des Betriebs eines veränderlichen Nockenwellenstellsystems (Variable Camshaft Timing = VCT). Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Steuersystem, das einen kurvigen oder eingeschränkten Pfad bzw. Kanal nutzt, um das Lösen bzw. die Freigabe des Verriegelungsstiftes zu verzögern.
• Verbrennungsmaschinen nutzen verschiedene Mechanismen, um den Winkel zwischen der Nocken- und der Kurbelwelle zu verändern, so dass die Leistung des Motors verbessert oder Emissionen reduziert werden. Die Mehrheit dieser veränderlichen Nockenwellenstellmechanismen (VCT-Mechanismen) nutzt einen oder mehrere „Flügelsteller" auf der Nockenwelle des Motors (oder auf den Nockenwellen einer Brennkraftmaschine mit mehreren Nockenwellen). In den meisten Fällen besitzen die Steller einen Rotor mit einem oder mehreren Flügeln, der am Ende der Nockenwelle befestigt ist und durch ein Gehäuse mit Flügelkammern umgeben ist, in die die Flügel passen. Es ist möglich, die Flügel am Rotor zu befestigen und die Kammern im Stator vorzusehen. Der äußere Umfang des Gehäuses bildet den Zahnkranz, die Riemenscheibe oder das Getriebe zum Aufnehmen des Antriebs, der gewöhnlich von der Nockenwelle bereitgestellt wird (typischerweise eine Kette, ein Riemen oder Zahnräder). Der Steller arbeitet unter Verwendung von Motoröl als Arbeitsflüssigkeit, das in die Ölkammern auf beiden Seiten des Flügels eingegeben wird, so dass die Nockenwelle in ein Winkelverhältnis zum Antrieb durch die Kurbelwelle gedreht wird.
• Da die Steller nicht vollständig abgedichtet werden können, sind sie einem gewissen Ölverlust durch Undichtigkeit ausgesetzt. Während des normalen Motorbetriebs ist der durch die Motorölpumpe erzeugte Öldruck und -fluss im Allgemeinen ausreichend, um den Steller vollständig mit Öl gefüllt und in Funktion zu halten. Wenn jedoch der Motor abgeschaltet wird, kann das Öl aus dem VCT-Mechanismus auslaufen. Bevor die Motorölpumpe während der Motorstartszustände Öldruck erzeugt, gestattet das Fehlen des steuernden Öldrucks dem Steller ein starkes Oszillieren aufgrund des fehlenden Öls, was sowohl Lärm als auch eine mögliche Schädigung des Mechanismus hervorruft. Zusätzlich ist es wünschenswert, den Steller an bestimmten Positionen zu verriegeln, während der Motor zu starten versucht.
• Eine von Stellern des Standes der Technik verwendete Lösung besteht darin, einen Verriegelungsstift derart einzubringen, dass er den Steller in einer speziellen Phasenwinkelposition im Verhältnis zur Kurbelwelle verriegelt, wenn nicht ausreichend Öl in den Kammern vorhanden ist. Diese Verriegelungsstifte sind typischerweise durch Federn vorgespannt, um unter der Wirkung von Öldruck in Eingriff zu gelangen oder gelöst zu werden. Daher werden die durch Federn vorgespannten Stifte eingreifen und den Steller verriegeln, wenn der Motor abgeschaltet wird und der Öldruck einen vorbestimmten niedrigen Wert erreicht. Während des Motorstarts bleibt der Stift im Eingriff, bis die Motorölpumpe ausreichend Druck zum Lösen des Stiftes erzeugt.
• Ein zweites Beispiel für Verriegelungsstifte des Standes der Technik offenbart das US-Patent mit der Nummer 5,836,275, das einen Verriegelungsstift mit einem „Aufhebungsmittel" beschreibt, um das Zurückziehen des Verriegelungsstiftes zu verhindern, bis die Kammern mit Öl gefüllt sind. Das „Aufhebungsmittel" ist ein kleines Loch am unteren Ende eines im Gehäuse angeordneten Loches, das sich in radialer Richtung einwärts erstreckt.
• Ein anderes Beispiel ist das US-Patent mit der Nummer 5,901,674, das einen Verriegelungsstift mit einer getrennten Entriegelungsleitung und einem Entriegelungsventil zeigt. Der Verriegelungsstift verhindert das Drehen des inneren Rotors und des äußeren Rotors solange, bis der Motor gestartet worden ist. Während dieser Zeitspanne wird eine ausreichende Ölzufuhr in die Vorstell- und Rückstellkammer aufgebaut, um den Verriegelungsstift zu entriegeln.
• Das US-Patent mit der Nummer 5,927,239 offenbart einen Verriegelungsstift mit einem Flußbegrenzer stromaufwärts von einem Kopplungselement. Der Flußbegrenzer ist ein Stahlring, der am Gehäuse befestigt ist und einen inneren Ring aufweist, der einen Gleitring umgibt. Der zwischen dem inneren Umfang des Stahlrings und des Gleitrings verbleibende Spalt gestattet den Durchgang eines hydraulischen Mediums. Aufgrund dieser Einschränkung wird eine kleine Verzögerung in das Lösen des Verriegelungsstiftes eingebracht und diese Verzögerung wird durch die Erfinder des US-Patentes mit der Nummer 5,927,239 im Speziellen als ein Nachteil angesehen. Man ist aber der Auffassung, dass der Nachteil der Verzögerung durch das Eliminieren der von dem Verriegelungskolben ausgehenden Rüttelgeräusche ausgeglichen wird.
• Das US-Patent mit der Nummer 5,941,203 zeigt einen Verriegelungsstift, der derart geformt ist, dass er dem Steller ein schnelleres Drehen gestattet, wenn sich der Stift zurückzieht. Die Form des Verriegelungsstiftes umfasst einen Kopfbereich, der kurvenförmig oder kugelförmig ausgebildet ist, und einen Randbereich. Der Kopfbereich passt in ein Loch im inneren Rotor, um die relativen Drehungen des inneren und des externen Rotors zu regulieren. Wenn dem Loch mehr Arbeitsöl zugeführt wird, wird der Verriegelungsstift herausgedrückt, bis er nicht länger die Drehungen des internen und des externen Rotors reguliert.
• Ein anderes Beispiel zeigt das US-Patent mit der Nummer 5,979,380, das einen Flügelsteller mit einem Verriegelungsstift offenbart. Ein Aufbringen des Druckes zieht den Stift zurück. Der Mechanismus des Verriegelungsstiftes ist zwischen dem Rotor und dem Gehäuseelement angeordnet, während der Mechanismus ein in dem äußeren Umfangsbereich des Rotors ausgebildetes Aufnahmeloch, ein in dem inneren Umfangsbereich des Gehäuseelements ausgebildetes Aufhebungsloch zum Ausrichten mit dem Aufnahmeloch und einen abgestuften Verriegelungsstift aufweist, der gleitend in das Aufhebungsloch passt. Wenn der Druck der abgegebenen Flüssigkeit hoch genug ist, wird das Umschaltventil auf die erste Position umgeschaltet, unter Druck stehende Flüssigkeit wird gleichzeitig der ersten Kammer und dem Aufnahmeloch zugeführt und der Verriegelungsstift wird dann aus dem Loch gedrückt, um eine Drehung zu gestatten.
• Das US-Patent mit der Nummer 6,006,708 offenbart ein Zurückziehen des Verriegelungsstiftes, das aufgrund des Vorhandenseins von Ölkanälen in sowohl der „Früh"- als auch der „Spät"-Kammer stattfindet. Das Zurückziehen wird während des Starts des Motors durch die Motorsteuereinheit verzögert, um Probleme in Verbindung mit zu geringem Öldruck zu verhindern.
• Das US-Patent mit der Nummer 6,006,709 zeigt einen Verriegelungsstift, der einen Steller bei niedrigem Öldruck verriegelt. Das Zurückziehen des Verriegelungsstiftes wird solange verzögert, bis ausreichend Öl in der Vorratskammer vorhanden ist, um ein Rattern beim Starten zu verhindern.
• Ein anderes Beispiel ist der in dem US-Patent mit der Nummer 6,024,061 offenbarte Verriegelungsstift, der zurückgezogen wird, wenn der vollständige Verzögerungsdruck vorhanden ist, um den Steller vor dem Betrieb in einem Verzögerungszustand zu halten. Dies wird dadurch erzielt, dass die Motorsteuerung eine Verzögerung während des Startens ausführt, bevor Verzögerungs- bzw. Rückstelldruck auf den Steller aufgebracht wird, um einen Aufbau des Öldrucks zu gestatten.
• Das US-Patent mit der Nummer 6,035,819 offenbart einen Steller, der beim Abschalten des Motors auf die weiteste „Früh"-Position geschaltet wird und sich dann in eine verriegelte Position bewegt, wenn der Motor gestartet wird. Ohne entsprechenden Druck bleibt der Verriegelungsstift verriegelt und hält den Steller in der Mitte der Druckkammer. Nach dem Start des Motors wird der Steller entriegelt. Eine leichte Verzögerung entsteht dadurch, dass sich der Flügel in der Mitte der Druckkammer befindet.
• Zuletzt zeigt das US-Patent mit der Nummer 6,105,543 ein kugelförmiges Ende eines Verriegelungsstiftes, um sein Zurückziehen beim Druckaufbau zu erleichtern.
• Ein Nachteil dieser bekannten Verriegelungsstifte besteht darin, dass sie bei dem anfänglichen Druckaufbau des Öls entriegeln, bevor der Steller über ausreichend Öl für seinen Betrieb verfügt.
• JP 11229830 , auf der ebenfalls der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, lehrt einen veränderlichen Nockenwellensteller für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer Nockenwelle, der die folgenden Merkmale aufweist: a) ein Gehäuse mit einem äußeren Umfang zum Aufnehmen einer Antriebskraft, b) einen Rotor zum Verbinden mit einer Nockenwelle, der koaxial innerhalb des Gehäuses geordnet und drehbar ist, um die relative Winkelposition des Gehäuses und des Rotors zu verstellen, und der eine verjüngte Vertiefung in einem äußeren Umfang aufweist, c) einen gleitend in einer radialen Bohrung des Gehäuses angrenzend zum Rotor angeordneten Verriegelungsstift, der einen Körper mit einem Durchmesser aufweist, der auf einen flüssigkeitsdichten Sitz in der radialen Bohrung angepasst und ein inneres Ende in Richtung des Rotors mit einem verjüngten Bereich aufweist, der in die verjüngte Vertiefung passt, während der Verriegelungsstift innerhalb der Bohrung radial bewegbar ist von einer Verriegelungsposition, in der das verjüngte Ende in die verjüngte Vertiefung passt und die relative Winkelposition des Gehäuses und des Rotors verriegelt, in eine unverriegelte Position, in der das verjüngte Ende nicht mit dem Rotor in Eingriff ist, und d) eine in der radialen Bohrung gegenüber dem inneren Ende des Verriegelungsstifts angeordnete Feder, die den Verriegelungsstift radial einwärts in Richtung der verriegelten Position drängt.
• Daher wird ein Verriegelungsmechanismus benötigt, der ein Lösen des Verriegelungsstifts nach einer Verzögerung zwischen dem Motorstart und dem Freigaben des Verriegelungsstifts von dem Rotor bewirkt.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein veränderlicher Nockenwellensteller für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer Nockenwelle bereitgestellt, der die folgenden Merkmale aufweist: a) ein Gehäuse mit einem äußeren Umfang zum Aufnehmen einer Antriebskraft, b) einen Rotor für eine Verbindung zu einer Nockenwelle, der koaxial innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und zur Drehung im Stand ist, um die Winkelposition des Gehäuses und des Rotors zueinander zu verstellen, und der eine verjüngte Vertiefung in einem äußeren Umfang aufweist, c) einen gleitend in einer radialen Bohrung in dem Gehäuse angrenzend an den Rotor angeordneten Verriegelungsstift, der einen Körper mit einem Durchmesser aufweist, der auf einen flüssigkeitsdichten Sitz in der radialen Bohrung angepasst ist und ein inneres Ende in Richtung des Rotors aufweist, das in die verjüngte Vertiefung passt, während der Verriegelungsstift in der Bohrung radial von einer verriegelten Position in eine unverriegelte Position bewegbar ist, während in der verriegelten Position das innere Ende in die verjüngte Vertiefung passt und die Winkelposition des Gehäuses und des Rotors zueinander verriegelt und in der unverriegelten Position das innere Ende nicht mit dem Rotor in Eingriff ist, und d) eine Feder, die in der radialen Bohrung gegenüber dem inneren Ende des Verriegelungsstifts angeordnet ist und den Verriegelungsstift radial einwärts in Richtung der verriegelten Position drängt, während e) sich das innere Ende des Stiftes verjüngt und f) die verjüngte Vertiefung über einen krummlinigen Flüssigkeitskanal mit einer Zufuhr für unter Druck stehendes Öl verbunden ist, so dass in das Bewegen des verjüngten Endes des Verriegelungsstifts aus der verjüngten Vertiefung in den Rotor eine Zeitverzögerung eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der krummlinige Flüssigkeitskanal (14) ein Wurmgang ist.
• Die Erfindung umfasst einen veränderlichen Nockenwellensteller mit einem krummlinigen Kanal von der Zufuhr des unter Druck stehenden Öls zur verjüngten Vertiefung, in die der Verriegelungsstift passt, während der krummlinige Kanal eine Verzögerung einbringt zwischen die Zustände, wenn die Brennkraftmaschine startet und wenn sich der Verriegelungsstift in eine unverriegelte Position bewegt. Der krummlinige Kanal schränkt den Flüssigkeitsfluss ein, verhindert das Entriegeln des Verriegelungsstifts während des Motorstarts mit dem Anfangsöldruck, bevor der veränderliche Nockenwellensteller ausreichend Öl für seinen Betrieb aufweist. Die Verzögerung stellt sicher, dass die Kammern des veränderlichen Nockenwellenstellers ausreichend Zeit zum Füllen mit Betriebsflüssigkeit haben, bevor der Steller entriegelt wird.
• Für das richtige Verständnis der Erfindung wird nun eine ihrer Ausführungsformen als ein Beispiel beschrieben, während auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
• 1 eine Vorderansicht eines VCT-Stellers mit der Erfindung zeigt und
• 2a & 2b Eingriffs- und Nicht-Eingriffspositionen der vorliegenden Erfindung in größerem Detail innerhalb des Kastens 2 der 1 darstellen.
• In Bezug auf 1 umfasst ein VCT-Steller vom Flügeltyp ein Gehäuse, dessen Außenseite eine Kettenradverzahnung aufweist, die mit einer Steuerkette zusammenpasst und durch sie angetrieben wird. Innerhalb des Gehäuses befinden sich Flüssigkeitskammern und ein Rotor mit Flügeln, der koaxial innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und sich im Verhältnis zu dem Gehäuse frei drehen kann, während seine Flügel zwischen die Kammern passen. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ebenfalls ein zentrales Steuerventil, das unter Druck stehendes Öl über jeweilige Kanäle zu den jeweiligen Kammern leitet. Das über das Ventil in die Kanäle eingebrachte unter Druck stehende Öl wird die Flügel entgegen dem Uhrzeigersinn bezogen auf das Gehäuse bewegen, so dass das Öl aus den Kammern in die Kanäle und in das Ventil gedrängt wird.
• Ein Fachmann wird erkennen, dass diese Beschreibung allgemein auf Flügelsteller anwendbar ist und dass die spezifische Anordnung von Flügeln, Kammern, Kanälen und Ventilen, die in 1 gezeigt ist, innerhalb der Lehren der Erfindung verändert werden kann. Beispielsweise kann die Anzahl der Flügel und ihre Anordnung verändert werden. Einige Steller umfassen nur einen einzelnen Flügel, andere so viele wie ein Dutzend und die Flügel können an dem Gehäuse anordnet sein und umgekehrt innerhalb der Kammern an dem Rotor. Das Gehäuse kann durch eine Kette oder einen Riemen oder ein Getriebe angetrieben sein und das Äußere des Gehäuses kann die gezeigte Kettenradverzahnung aufweisen oder eine Riemenscheibe für einen Riemen oder Zahnräder.
• Bezug nehmend auf 1 und das Detail der 2a gleitet in dem Steller der vorliegenden Erfindung ein Verriegelungsstift 10 in einer Bohrung 17 in dem Gehäuse 1 und wird durch eine Feder 21 in eine Vertiefung 19 im Rotor 2 gedrückt, um den Rotor 2 und das Gehäuse 1 in einer festen Drehposition zu verriegeln. Eine Entlüftung bzw. Leitung 11 gestattet jeglichem Öl auszutreten, das hinter den Kolben 10 fließen könnte. Eine Hülse 16 kann in der Bohrung bereitgestellt werden, die zumindest das innere Ende 20 des Verriegelungsstiftes umgibt, um eine bessere Abdichtung bereitzustellen.
• Ein krummliniger Flüssigkeitskanal 14 führt unter Druck stehendes Öl von einer Zufuhr für unter Druck stehendes Öl 15 in die Vertiefung 19. Der krummlinige Pfad bzw. Kanal 14 umfasst einen Wurmgang. Aufgrund des krummlinigen Kanals 14, in dem sich das Öl vor dem Ankommen in der Vertiefung 19 bewegt, ist kein ausreichender Druck zum Entriegeln des Verriegelungsstifts 10 vorhanden, bis die Betriebskammern des VCT annähernd vollständig mit Öl gefüllt sind. Daher muss sich beim Start der Brennkraftmaschine Öl entlang des krummlinigen Flüssigkeitskanals bewegen, wodurch eine Zeitverzögerung vor dem Ankommen an der Vertiefung erzeugt wird, so dass das Öl nicht den Verriegelungsstift gegen die Kraft der Feder zurück drücken kann, bis der zugeführte Öldruck bis zu einem Niveau gestiegen ist, an dem zum vollständigen Füllen der Kammern des Stellers ausreichend Öl in den Kanälen vorhanden ist.
• Wenn der Motor abgeschaltet wird, fällt der Druck in der Vertiefung und in dem Kanal unter einen erforderlichen Druck, um den Stift in der Bohrung entgegen der Kraft der Feder zu halten, und der Verriegelungsstift bewegt sich in Richtung des Rotors. Wenn sich der Stift und die Vertiefung ausrichten, tritt der Stift in die Vertiefung ein und verriegelt den Rotor und das Gehäuse.
• Dementsprechend sollte man erkennen, dass die Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung lediglich illustrierend für die Anwendung der Prinzipien der Erfindung sind. Die Bezugnahme auf Einzelheiten der dargestellten Ausführungsfor men sind nicht dazu gedacht, dass sie den Rahmen der Ansprüche begrenzen, die jene Merkmale wiedergeben, die als wesentlich für die Erfindung angesehen werden.

Claims (2)

1. Nockenwellensteller für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einer Nockenwelle, der die folgenden Merkmale aufweist. a) ein Gehäuse (1), mit einem äußeren Umfang zum Aufnehmen einer Antriebskraft, b) einen Rotor (2) für eine Verbindung zu einer Nockenwelle, der koaxial innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist und zur Drehung imstande ist, um die Winkelposition des Gehäuses (1) und des Rotors (2) zueinander zu verstellen, und der eine verjüngte Vertiefung (19) in einem äußeren Umfang aufweist, c) einen gleitend in einer radialen Bohrung (17) in dem Gehäuse (1) angrenzend an den Rotor (2) angeordneten Verriegelungsstift (10), der einen Körper mit einem Durchmesser aufweist, der für einen flüssigkeitsdichten Sitz in der radialen Bohrung (17) angepasst ist und ein inneres Ende (20) in Richtung des Rotors aufweist, das in die verjüngte Vertiefung (19) passt, während der Verriegelungsstift (10) in der Bohrung (17) radial von einer verriegelten Position in eine unverriegelte Position bewegbar ist, während in der verriegelten Position das innere Ende (20) in die verjüngte Vertiefung (19) passt und die Winkelposition des Gehäuses (1) und des Rotors (2) zueinander verriegelt und in der unverriegelten Position das innere Ende (20) nicht mit dem Rotor (2) in Eingriff ist, und d) eine Feder (21), die in der radialen Bohrung gegenüber dem inneren Ende (20) des Verriegelungsstiftes (10) angeordnet ist und den Verriegelungsstift (10) radial einwärts in Richtung der verriegelten Position drängt, während e) sich das innere Ende (20) des Stifts (10) verjüngt und f) die verjüngte Vertiefung (19) über einen krummlinigen Flüssigkeitskanal (14) mit einer Zufuhr für unter Druck stehendes Öl verbunden ist, so dass in das Bewegen des verjüngten Endes des Verriegelungsstiftes aus der verjüngten Vertiefung in den Rotor eine Zeitverzögerung eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der krummlinige Flüssigkeitskanal (14) ein Wurmgang ist.
2. Nockenwellensteller gemäß Anspruch 1, der weiterhin eine Buchse (16) in der Bohrung (17) aufweist, die zumindest das innere Ende (20) des Verriegelungsstiftes (10) umgibt.