DE10116300A1 - Einrichtung zum Betätigen der Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors und Verfahren zur Handhabung dieser Einrichtung - Google Patents
Einrichtung zum Betätigen der Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors und Verfahren zur Handhabung dieser EinrichtungInfo
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Abstract
Eine Einrichtung zum Betätigen der Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors mit einer von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors über Momentenübertragungselemente angetriebene Nockenwelle und einer Vorrichtung zum Verändern des Phasenverhältnisses zwischen Kurbel- und Nockenwelle soll konstruktiv einfach aufgebaut und funktionssicher betätigbar sein. DOLLAR A Zu diesem Zweck sind die zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle liegenden Momentenübertragungselemente mit einer momentenunterbrechenden oder verändernden Schalteinrichtung versehen, wobei durch die Schalteinrichtung bei einer ersten Schaltstellung eine vollständige und bei einer zweiten Schaltstellung keine oder eine veränderte Momentenübertragung erfolgt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Betätigen der
Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors nach dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Handha
bung dieser Einrichtung.
Bei einer aus US 397 88 29 bekannten Einrichtung dient ein
Stellmotor zum Verändern des Phasenverhältnisses zwischen
Kurbel- und Nockenwelle. Eine solche Einrichtung besitzt ei
nen äußerst komplizierten und damit aufwendigen Aufbau.
Bei gattungsgemäßen Einrichtungen nach US 430 53 52 und
EP 03 96 280 B1 sind jeweils Verstellgetriebe in die momenten
übertragenden Bauelemente zwischen Kurbel- und Nockenwelle
eingesetzt, mit denen unter Verwendung eines auf diese ein
wirkenden Verstellmotors das Phasenverhältnis zwischen Kur
bel- und Nockenwelle verändert werden kann.
Verändern des Phasenverhältnisses zwischen Kurbel- und Noc
kenwelle bedeutet jeweils, daß eine vorgegebene Drehwinkel
stellung zwischen Kurbel- und Nockenwelle bei stehendem oder
laufenden Verbrennungsmotor gegenüber einem vorgegebenen
Wert verändert wird.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine gat
tungsgemäße Einrichtung konstruktiv möglichst einfach zu ge
stalten bei einer gleichzeitig einfachen und funktionssiche
ren Betätigbarkeit. Gattungsgemäße Einrichtungen sollen ins
besondere vorteilhaft für einen Einsatz in Verbrennungsmoto
ren sein, in denen im Motorbremsbetrieb eine Phasenverstel
lung einer die Auslaßventile betätigenden Nockenwelle gegen
über der Kurbelwelle erfolgen soll.
Eine grundsätzliche Lösung des erfindungsgemäßen Problems
zeigt eine gattungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnen
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 auf. Eine zweckmäßige
Handhabung ist Gegenstand abhängiger Unteransprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken; das an
sich zwischen Nockenwelle und. Kurbelwelle fest vorgegebene
Phasen-, das heißt Drehwinkelverhältnis, durch ein temporä
res Aufheben des Momentenflußes zwischen Kurbel- und Nocken
welle zu verändern. Die einfachste Art einer Veränderung er
folgt bei laufendem Motor und aufgehobenem Momentenfluß da
durch, daß sich die Drehgeschwindigkeit der Nockenwelle ge
genüber dem angetriebenen Zustand mit Bezug auf die Drehge
schwindigkeit der Kurbelwelle verringert, wodurch zwangsläu
fig eine Phasenverstellung erfolgt. Eine solche Phasenver
stellung erfolgt entgegen der Drehrichtung der Nockenwelle.
Diese Art der Verstellung wird nachfolgend als Verstellung
in Richtung "spät" bezeichnet. Die Größe der Änderung des
sich bei der Verstellung einstellenden Phasenwinkels richtet
sich nach der Zeitdauer, innerhalb der der Antriebs-
Momentenfluß zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle unterbro
chen wird. Bei dieser Art der Phasenverschiebung kann unmit
telbar lediglich eine Verstellung in Richtung "spät" erfol
gen. Mittelbar läßt sich hierdurch allerdings auch eine Pha
senverstellung in Richtung "früh" dadurch erreichen, daß ei
ne Verstellung um nahezu 360-Nockenwellengrad erfolgt; wo
durch die bis 360° verbleibenden Winkelgrade einer Verstel
lung nach "früh" entsprechen. Eine derartige Phasenverschie
bung nach "früh" ist in der Regel bei einem Verbrennungsmo
tor im Antriebsbetrieb nicht ohne störenden Einfluß in den
Motorbetrieb möglich, dagegen jedoch beispielsweise problem
los anwendbar bei einer Funktion des Motors als Motorbremse.
Durch eine Unterbrechung des Momentenflußes kann die Betäti
gung der Gaswechselventile durch die Nockenwelle abgeschal
tet und dadurch Schleppverluste durch Reibung in den Lager
stellen der Nockenwelle vermieden werden. Bei unterbrochenem
Momentenfluß, das heißt in entkoppeltem Zustand kann die
Nockenwelle in Vorzugspositionen fixiert werden, in denen
keine Nockenerhebung der Nocken auf der entkoppelten Nocken
welle die Gaswechselventile betätigt und diese somit geöff
net hält. Ein derart vorbestimmtes Positionieren in entkop
peltem Zustand der Nockenwelle kann beispielsweise durch ei
nen Rastmechanismus erreicht werden.
Die vorbeschriebene Phasenverstellung kann durch eine einfa
che Unterbrechung des Momentenflußes lediglich bei laufendem
Verbrennungsmotor erfolgen. Dabei kann ein Zu- und Abschal
ten der Nockenwelle sowohl bei stehendem als auch bei lau
fendem Verbrennungsmotor erfolgen.
Um im Motorbetrieb eine vorbestimmte Phasenverstellung er
halten zu können, kann die Zeit der Momentenunterbrechung,
das heißt der Entkopplung der Nockenwelle von dem Antrieb
der Kurbelwelle zeitgesteuert bzw. geregelt in Abhängigkeit
der Meßwerte von mit der Nockenwelle und zusätzlich auch
noch mit der Kurbelwelle zusammenwirkenden Drehwinkelgebern
erfolgen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Nockenwelle mit einer Momentenbremse versehen. Mit dieser
Momentenbremse ist es möglich, die Drehgeschwindigkeit der
Nockenwelle bei unterbrochenem Momentenfluß, das heißt in
entkoppeltem Zustand gezielt zu verringern. Dadurch wird ei
ne exakt gesteuerte bzw. geregelte Phasenverstellung beson
ders gut, schnell und einfach erreicht.
Durch die Einschaltung eines Getriebes in den Momentenfluß
zwischen Kurbel- und Nockenwelle ist es möglich, eine unmit
telbare Phasenverstellung sowohl in Richtung "früh" als auch
in Richtung "spät" zu erreichen. Während eine Verstellung in
Richtung "spät" im einfachsten Fall schon allein durch die
reibungsbedingte Drehgeschwindigkeitsverringerung bei ent
koppelter Nockenwelle erfolgen kann, ist für eine unmittel
bare Verstellung in Richtung "früh" eine Aktivierung des Ge
triebes mittels einer mit der Nockenwelle verbundenen Momen
tenbremse notwendig. Wie dies vorrichtungsmäßig konkret er
reicht werden kann, wird nachfolgend anhand gezeichneter
Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden.
Während bei der vorbeschriebenen Ausführung der Erfindung
mit einem in den Momentenfluß eingesetzten Getriebe zwar be
reits unmittelbare Phasenverstellungen in Richtung "früh"
und "spät" erreicht werden können, kann dabei eine Verstel
lung mit Hilfe der Momentenbremse lediglich in einer Rich
tung, d. h. in dem angegebenen Beispiel lediglich in Richtung
"früh" erzielt werden. Um unter Einsatz der Momentenbremse.
gleichermaßen Verstellungen in Richtung "früh" und "spät"
erreichen zu können, kann ein Schaltgetriebe eingesetzt wer
den, mit dessen Hilfe eine Drehrichtungsumkehr zwischen An
und Abtriebsseite des eingeschalteten Schaltgetriebes er
reicht werden kann. Eine beispielhafte konstruktive Ausge
staltung einer solchen Einrichtung wird ebenfalls anhand
verschiedener gezeichneter Ausführungsbeispiele nachfolgend
noch näher erläutert werden.
Bei dem Einsatz eines Getriebes innerhalb des Momentenflußes
zwischen der Kurbel- und Nockenwelle kann ein selbsthemmen
des Getriebe eingesetzt werden, bei dem die Selbsthemmung
auf einen Wert eingestellt ist, der dem erforderlichen An
triebsmoment für die Nockenwelle entspricht. Bei einer sol
chen konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die er
findungsgemäß erforderliche Unterbrechung des Momentenflußes
durch den Einsatz einer mit der Nockenwelle zusammenwirken
den Momentenbremse. Die Antriebsmomentunterbrechung erfolgt
in diesem Fall, wenn ein die Selbsthemmung des Getriebes
übersteigendes Bremsmoment eingeschaltet ist.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele zu sämtlichen vorstehend
beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend im Einzelnen
beschrieben.
In der Zeichnung zeigen in jeweils schematischer Darstellung
Fig. 1 einen Nockenwellenantrieb eines Verbrennungsmotors
mit einer einfachen mit Bezug auf die Nockenwelle
an der Abtriebsseite der Kurbelwelle vorgesehenen
Kupplung,
Fig. 2 einen Nockenwellenantrieb mit einem grundsätzli
chen Aufbau nach Fig. 1, jedoch mit einer Positio
niereinrichtung für die Nockenwelle in ausgekup
peltem Zustand,
Fig. 3 eine Einzeldarstellung der Nockenwellenpositio
niereinrichtung nach Fig. 2,
Fig. 4 ein Diagramm mit den Ventilerhebungskurven für die
Gaswechselventile gleicher Funktion eines Dreizy
lindermotors mit auf der Abszisse eingetragenen
Nockenwellenwinkeln NW und auf der Ordinate einge
tragenen Ventilhüben H,
Fig. 5 einen Nockenwellenantrieb mit einem Getriebe in
nerhalb der Momentenübertragungselemente zwischen
Kurbelwelle und Nockenwelle, bei dem das Getriebe
gehäuse fest mit der Nockenwelle verbunden ist,
Fig. 6 einen Nockenwellenantrieb, bei dem im Unterschied
zu dem Antrieb nach Fig. 5 das Getriebegehäuse ge
genüber der Nockenwelle drehbar ist,
Fig. 7 einen Nockenwellenantrieb mit einem Planetenge
triebe innerhalb der Momentenübertragungselemente,
Fig. 8 einen Nockenwellenantrieb mit einem Schaltgetrie
be,
Fig. 9 eine Schalteinrichtung für den Nockenwellenantrieb
nach Fig. 8.
Bei dem Nockenwellenantrieb nach Fig. 1 treibt eine Kurbel
welle 1 über Momentenübertragungselemente 2 eine Nockenwelle
3 an, die wiederum Gaswechselventile 4 eines Verbrennungsmo
torzylinders 5 betätigt. Zwischen der Kurbelwelle 1 und den
Momentenübertragungselementen 2 ist eine Kupplung 6 vorgese
hen. Bei geschlossener Kupplung 6 erfolgt eine vollständige
Momentenübertragung auf die Nockenwelle 3. Bei geöffneter
Kupplung 6 ist die Momentenübertragung unterbrochen, das
heißt die Nockenwelle 3 ist antriebslos. In diesem Zustand
verringert sich die gegenüber dem Antriebszustand bestehende
Nockenwellen-Drehgeschwindigkeit. Durch ein kurzzeitiges
Öffnen der Kupplung 6 ergibt sich zwischen der Kurbelwelle 1
und der Nockenwelle 3 eine Phasenverstellung der Nockenwelle
3 in Richtung "spät" gemäß der in der Beschreibungseinlei
tung gegebenen Definition. Mit Hilfe in der Zeichnung nicht
dargestellter Drehwinkelgeber an der Nockenwelle 3 und zu
sätzlich gegebenenfalls an der Kurbelwelle 1 läßt sich bei
der Nockenwelle durch entsprechendes Steuern bzw. Regeln der
Öffnungszeiten der Kupplung 6 auf einfache Weise ein vorbe
stimmtes Phasenverstellmaß mit Bezug auf die Kurbelwelle 3
erreichen. Ein Zurückstellen in die Ausgangsphasenstellung
ist hierbei lediglich durch eine Verstellung um insgesamt
360-Kurbelwellengrad gegenüber der Ausgangslage möglich. Bei
einer Verstellung um weniger als 360° kann mit Bezug auf das
gegenüber 360° fehlende Winkelmaß eine Verstellung in Rich
tung "früh" auf mittelbarem Wege erreicht werden.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind die Bauelemente des Nok
kenwellenantriebes, die mit denjenigen nach Fig. 1 funkti
onsgemäß übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen belegt.
Die Kupplung 6 befindet sich hier direkt am Übergang der Mo
mentenübertragungselemente 2 zu der Nockenwelle 3 und sie
setzt sich zusammen aus den beiden Kupplungshälften 7 und 8.
Die Kupplungshälfte 7 ist fest mit einem Momentenübertra
gungselement 2 verbunden, während die Kupplungshälfte 8 in
einem Lager 9 mit der Nockenwelle 3 drehfest, jedoch axial
verschieblich verbunden ist. Mit der Nockenwelle 3 wirkt ei
ne Positioniereinrichtung 10 zusammen. Bei geschlossener
Kupplung 6 erfolgt eine vollständige, unbeeinflußte Momen
tenübertragung von der Kurbelwelle 1 auf die Nockenwelle 3.
Die in Fig. 3 im Detail dargestellte Positioniereinrichtung
10 ist wie folgt aufgebaut.
Eine Rastscheibe 11 mit umfangsmäßig vorbestimmt verteilten
Positionierausnehmungen 12 ist starr mit der Nockenwelle 3
verbunden. Ein in einem ortsfesten Lager 13 verschiebbarer
Verschiebering 14 ist in Richtung der Achse der Nockenwelle
3 verschiebbar und über ein Drehlager 15 axial unverschieb
bar mit der Kupplungshälfte 8 verbunden.
Mit dieser Positioniereinrichtung lassen sich folgende, in
der Zeichnung a, b, c bezeichnete Schaltstellungen errei
chen.
Schaltstellung a:
Die Kupplung 6 ist geschlossen, das heißt es erfolgt eine vollständige Momentenübertragung von der Kurbelwelle 1 auf die Nockenwelle 3. Diese Stellung entspricht somit dem nor malen Motorbetrieb.
Die Kupplung 6 ist geschlossen, das heißt es erfolgt eine vollständige Momentenübertragung von der Kurbelwelle 1 auf die Nockenwelle 3. Diese Stellung entspricht somit dem nor malen Motorbetrieb.
Schaltstellung b:
In dem Verschiebering 14 ist eine federbelastet gelagerte Positionierkugel 15 vorgesehen, über die der Verschiebering 14 in eine der Positionierausnehmungen 12 der Rastscheibe 11 in einer bestimmten Umfangsstellung einrastbar ist. Die Kupplung 6 ist geöffnet und der Verschiebering 14 nimmt noch keine Verraststellung gegenüber der Rastscheibe 11 ein. In diesem Zustand ist die Nockenwelle 3 von dem Antrieb durch die Kurbelwelle 1 abgekoppelt, so daß sich ihre Drehge schwindigkeit verringert. Hierdurch erfolgt eine Phasenver stellung der Nockenwelle 3 in Richtung "spät" gegenüber der Kurbelwelle 1.
In dem Verschiebering 14 ist eine federbelastet gelagerte Positionierkugel 15 vorgesehen, über die der Verschiebering 14 in eine der Positionierausnehmungen 12 der Rastscheibe 11 in einer bestimmten Umfangsstellung einrastbar ist. Die Kupplung 6 ist geöffnet und der Verschiebering 14 nimmt noch keine Verraststellung gegenüber der Rastscheibe 11 ein. In diesem Zustand ist die Nockenwelle 3 von dem Antrieb durch die Kurbelwelle 1 abgekoppelt, so daß sich ihre Drehge schwindigkeit verringert. Hierdurch erfolgt eine Phasenver stellung der Nockenwelle 3 in Richtung "spät" gegenüber der Kurbelwelle 1.
Schaltstellung c:
Die Kupplung 6 ist geöffnet und der Verschiebering 14 ist gegenüber der Rastscheibe 11 verrastet. In diesem Zustand läuft die Nockenwelle 3 aus und kommt in einer durch den Rastmechanismus vorgegebenen Position zum Stillstand.
Die Kupplung 6 ist geöffnet und der Verschiebering 14 ist gegenüber der Rastscheibe 11 verrastet. In diesem Zustand läuft die Nockenwelle 3 aus und kommt in einer durch den Rastmechanismus vorgegebenen Position zum Stillstand.
Das Diagramm in Fig. 4 zeigt die Ventilerhebungskurven für
die Gaswechselventile 4 gleicher Funktion für einen Dreizy
lindermotor. Umfaßt die Öffnungsdauer für den Ventilhub ei
nes Zylinders Z weniger als 360°/Zylinderzahl Z, so gibt es
Winkelbereiche W der Nockenwelle 3, in denen keines der Gas
wechselventile betätigt wird. Der vorstehend mit Bezug auf
die Fig. 2 und 3 beschriebene Rastmechanismus hält die Nok
kenwelle 3 in einem dieser Winkelbereiche W, während die
Nockenwelle 3 stillgelegt ist.
Eine derartige Nockenwellen-Verstellung setzt eine Konstruk
tion voraus, bei der keine Kollision der Gaswechselventile 4
mit dem jeweils zugehörigen Kolben des Verbrennungsmotors
möglich ist. Es wird eine Reduzierung der Reibungsverluste
im abgeschalteten Zustand erreicht. Eingesetzt werden kann
eine solche Vorrichtung vorteilhafterweise in einem Motor
bremssystem nach DE 197 33 322.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei einer Zylinderabschal
tung durch ein auf diese Art mögliches Stilllegen der Ein-
und Auslaßnockenwelle für die jeweiligen Zylinder.
Bei den Nockenwellenantrieben nach den Fig. 5 bis 7 ist in
die Momentenübertragungselemente 2 jeweils ein Getriebe 16,
17, 18 eingesetzt. Mit diesen Getrieben ist es möglich, so
wohl in Richtung "früh", als auch in Richtung "spät" jeweils
unmittelbar eine Phasenverstellung der Nockenwelle 3 zu er
reichen. Dabei wird jeweils in einer Verstellrichtung die
ausschließlich reibungsbedingte Geschwindigkeitsverringerung
der Nockenwelle 3 bei unterbrochenem Antriebsmomentenfluß
ausgenützt, während bei einer Verstellung in die entgegenge
setzte Richtung das jeweilige Getriebe 16, 17, 18 durch eine
jeweils zugehörige Momentenbremse 19 aktiviert wird. Diese
Wirkung wird nachfolgend anhand der in den Fig. 7 bis 9 ge
gebenen konkreten Beispiele noch im einzelnen beschrieben.
Bei der Ausführung nach Fig. 5 sieht der Aufbau wie folgt
aus.
Mit der Nockenwelle 3 fest verbunden ist ein Getriebegehäuse
16, in dem einzelne Stirnräder drehbar gelagert sind. Fest
verbunden mit dem an der Nockenwelle 3 angreifenden Momen
tenübertragungselement 2 ist ein Stirnrad 20. Dieses Stirn
rad 20 ist mit dem zugehörigen Momentenübertragungselement 2
drehbar in dem Getriebegehäuse 16 gelagert. Das Stirnrad 20
kämmt in einem Stirnrad 21, das auf einer gleichen Welle zu
sammen mit einem Stirnrad 22 in gegeneinander fluchtenden
Lagern des Getriebegehäuses 16 drehbar gelagert ist. Dabei
sind die Stirnräder 21 und 22 fest mit ihrer gemeinsamen
Welle verbunden. Das Stirnrad 22 kämmt wiederum in einem in
der Achse der Nockenwelle 3 fluchtend gelagerten Stirnrad
23. Mit diesem Stirnrad 23 fest verbunden ist fluchtend in
der Achse der Nockenwelle 3 eine Welle 24, die einen gemein
samen zentralen Hohlraum innerhalb des Stirnrades 20 und des
mit diesem fest verbundenen Momentenübertragungselementes 2
durchgreifend in einer Bremsscheibe 25 einer Momentenbremse
19 endet. Zwischen dem Momentenübertragungselement 2 und dem
Getriebegehäuse 16 ist bei dieser Ausführung die Kupplung 6
zur Unterbrechung des Antriebsmomentenflußes vorgesehen. Die
Momentenbremse 19 ist ortsfest an einem Bauteil 26 abge
stützt.
Die vorbeschriebene Einrichtung funktioniert wie folgt.
Kupplung 6 geschlossen und Momentenbremse 19 geöffnet:
Bei geöffneter Momentenbremse 19 wird die Nockenwelle 3 mo mentenunterbrechungsfrei über das Getriebegehäuse 16 ange trieben. Dies entspricht normalem Motorbetrieb.
Bei geöffneter Momentenbremse 19 wird die Nockenwelle 3 mo mentenunterbrechungsfrei über das Getriebegehäuse 16 ange trieben. Dies entspricht normalem Motorbetrieb.
Kupplung 6 und Momentenbremse 19 geöffnet:
In diesem Zustand besteht keine momentenübertragende Verbin dung zwischen dem Momentenübertragungselement 2 und der Nok kenwelle 3. Durch Reibung wird die Nockenwelle 3 in ihrer Drehgeschwindigkeit verringert und hierdurch erfolgt eine Phasenwinkelverstellung bei der Nockenwelle 3 gegenüber der Kurbelwelle 1 in Richtung "spät".
In diesem Zustand besteht keine momentenübertragende Verbin dung zwischen dem Momentenübertragungselement 2 und der Nok kenwelle 3. Durch Reibung wird die Nockenwelle 3 in ihrer Drehgeschwindigkeit verringert und hierdurch erfolgt eine Phasenwinkelverstellung bei der Nockenwelle 3 gegenüber der Kurbelwelle 1 in Richtung "spät".
Kupplung 6 geöffnet und Momentenbremse 19 geschlossen:
Bei entsprechend gewähltem Übersetzungsverhältnis innerhalb des Getriebes 16 dreht sich die Nockenwelle 3 schneller als das Momentenübertragungselement 2. Dadurch erfolgt eine Pha senverstellung in Richtung "früh". Bei gegebenen Zähnenzah len z der Stirnräder 20, 21, 22, 23 und einer Winkelge schwindigkeit ω des Momentenübertragungselementes 2 dreht sich die Nockenwelle mit einer Winkelgeschwindigkeit i.ω
Bei entsprechend gewähltem Übersetzungsverhältnis innerhalb des Getriebes 16 dreht sich die Nockenwelle 3 schneller als das Momentenübertragungselement 2. Dadurch erfolgt eine Pha senverstellung in Richtung "früh". Bei gegebenen Zähnenzah len z der Stirnräder 20, 21, 22, 23 und einer Winkelge schwindigkeit ω des Momentenübertragungselementes 2 dreht sich die Nockenwelle mit einer Winkelgeschwindigkeit i.ω
Z = Zähnezahl der Stirnräder.
Der Term Z20.Z22/(Z21.Z23) muß größer als 0 und kleiner als 1
gewählt werden, damit eine Phasenverstellung nach "früh"
möglich ist.
Grundsätzlich erlaubt das Funktionsprinzip der Nockenan
triebseinrichtung nach Fig. 5 ein stufenloses, unbegrenztes
Verstellen der Phasenlage zwischen der Kurbelwelle 1 und der
Nockenwelle 3 sowohl in Richtung "früh" als auch in Richtung
"spät". Es können auch Verstellwinkel über 360° realisiert
werden, wodurch es beispielsweise möglich ist, den Phasen
winkel einer nach "spät" verstellten Nockenwelle 3 weiter zu
vergrößern, bis die Nockenwelle den neuen gewünschten Pha
senwinkel "früh" erreicht. Dies kann vor allem bei der Nut
zung unterschiedlicher Verstellgeschwindigkeiten nach "früh"
und "spät" Zeitersparnis bei der Einstellung eines Phasen
winkels bringen. Außerdem kann dadurch vermieden werden, daß
bei den Stirnrädern 20 bis 23 stets die gleichen Zahnflanken
bei häufig auftretenden Phasenwinkeln wie beispielsweise bei
0° belastet werden.
Soll die Phasenverstellung nur in einem definierten Bereich
möglich sein, können in dem System Anschläge zur Begrenzung
der Verstellbewegung und zur Entlastung der Zahnflanken in
der spätesten Winkelposition vorhanden sein.
Im übrigen wird es durch das Öffnen der Kupplung 6 möglich,
die Nockenwelle 3 zum völligen Stillstand zu bringen. Dies
kann auch für die Stillegung der Nockenwelle 3 genutzt wer
den wie beispielsweise bei einer Zylinderabschaltung oder
zur Vermeidung von Schleppverlusten durch eine mitrotierende
Nockenwelle 3 bei Nichtgebrauch bestimmter Nockenprofile.
Zudem ist es möglich, die entkoppelte, auslaufende Nocken
welle 3 durch eine Verrastungsbremse entsprechend der Dar
stellung und Beschreibung in den Fig. 2 und 3 in bestimmten
Vorzugspositionen zu fixieren, so daß beispielsweise keine
Gaswechselventile 4 permanent geöffnet bleiben.
Das Aktivieren der Momentenbremse 19 bewirkt ein Beschleuni
gen des Getriebegehäuses 16. Liegen mit Bezug auf die Momen
tenübertragungselemente 2 und die Nockenwelle 3 keine Wech
selmomente an, so kann in dem Getriebe 16 ein Freilauf vor
gesehen werden, durch den das für die Funktion unnötige Be
schleunigen und Mitlaufen des Getriebes bei stillgelegter
Nockenwelle vermieden wird.
Bei der Nockenwellenantriebseinrichtung nach Fig. 6 ist im
Gegensatz zu der Ausführung nach Fig. 5 das Getriebegehäuse
17 fest mit dem Momentenübertragungselement 2 verbunden,
während die Nockenwelle 3 über das Getriebe ein- und auskup
pelbar ist. Ein mit der Nockenwelle 3 fest verbundenes
Stirnrad 27 kämmt in einem Stirnrad 28, das wiederum mit ei
nem Stirnrad 29 in Eingriff steht. Das Stirnrad 29 ist zu
sammen mit einem weiteren Stirnrad 30 fluchtend fest auf ei
ner beide Stirnräder tragenden Welle 31 drehbar innerhalb
des Getriebegehäuses 17 gelagert. Das Stirnrad 30 kämmt in
einem zentral drehbar gelagerten Stirnrad 32. Dieses Stirn
rad 32 ist fest auf einer mit der Nockenwelle 3 fluchtenden
Welle 33 verbunden, auf der die Kupplungsscheibe der Kupp
lung 6 sowie die Bremsscheibe 25 der Momentenbremse 19 befe
stigt sind.
Diese Einrichtung funktioniert wie folgt.
Kupplung 6 geschlossen und Momentenbremse 19 geöffnet:
Die Nockenwelle 3 dreht mit der Drehgeschwindigkeit des Mo mentenübertragungselementes 2. Bei diesem Zustand sind die einzelnen Stirnräder innerhalb des Getriebegehäuses 17 ge geneinander verblockt.
Die Nockenwelle 3 dreht mit der Drehgeschwindigkeit des Mo mentenübertragungselementes 2. Bei diesem Zustand sind die einzelnen Stirnräder innerhalb des Getriebegehäuses 17 ge geneinander verblockt.
Kupplung 6 und Momentenbremse 19 geöffnet:
Es besteht keine momentenübertragende Verbindung zu der Noc kenwelle 3, da die einzelnen Stirnräder in dem Getriebege häuse 17 frei gegeneinander abrollen können.
Es besteht keine momentenübertragende Verbindung zu der Noc kenwelle 3, da die einzelnen Stirnräder in dem Getriebege häuse 17 frei gegeneinander abrollen können.
Kupplung 6 geöffnet und Momentenbremse 19 geschlossen:
Es erfolgt eine Drehzahlsteigerung bei der Nockenwelle ge genüber dem Momentenübertragungselement 2. Dabei ist das Übersetzungsverhältnis
Es erfolgt eine Drehzahlsteigerung bei der Nockenwelle ge genüber dem Momentenübertragungselement 2. Dabei ist das Übersetzungsverhältnis
nM = Drehzahl des Momentenübertragungselementes (2)
nN = Drehzahl der Nockenwelle (3)
Z = Zähnezahl der Stirnräder
nN = Drehzahl der Nockenwelle (3)
Z = Zähnezahl der Stirnräder
Dieser Term kann nie größer oder gleich 1 werden, so daß in
jedem Fall eine Drehzahlsteigerung bei der Nockenwelle 3 er
folgt. Damit über das Getriebe eine Phasenverstellung nach
"früh" möglich ist, ist das Stirnrad 28 zwischen den Stirn
rädern 27 und 29 eingesetzt. Dieses Stirnrad 28 könnte al
ternativ auch zwischen den Stirnrädern 30 und 32 eingesetzt
sein.
Bei dem Nockenwellenantrieb nach Fig. 7 ist als Phasenver
stell-Getriebe ein Planetengetriebe 18 eingesetzt.
Das Momentenübertragungselement 2 ist fest mit einem Plane
tenradträger 34 verbunden. Auf dem Planetenradträger 34 sind
Planetenräder 35 drehbar gelagert, die wiederum einerseits
in einem Hohlrad 36 und andererseits in einem Sonnenrad 32
kämmen. Das Hohlrad 36 ist fest mit der Nockenwelle 3 ver
bunden. Fluchtend mit der Achse der Nockenwelle 3 ist eine
den Planetenradträger 35 sowie das Momentenübertragungsele
ment 2 in deren Zentrum durchgreifende Welle gelagert. Mit
dieser Welle befestigt sind einenends die Kupplungsscheibe
der Kupplung 6 sowie die Bremsscheibe 25 der Momentenbremse
19 und anderenends das Sonnenrad 37.
Die Funktionsweise ist wie folgt.
Kupplung 6 geschlossen und Momentenbremse 19 geöffnet:
Sämtliche Getrieberäder sind gegeneinander verblockt, so daß die Nockenwelle 3 mit der Drehzahl des Momentenübertragungs elementes 2 dreht.
Sämtliche Getrieberäder sind gegeneinander verblockt, so daß die Nockenwelle 3 mit der Drehzahl des Momentenübertragungs elementes 2 dreht.
Kupplung 6 und Momentenbremse 19 sind geöffnet:
Es besteht keine momentenübertragende Verbindung gegenüber der Nockenwelle 3. Reibungsbedingt erfolgt eine Phasenver stellung bei der Nockenwelle 3.
Es besteht keine momentenübertragende Verbindung gegenüber der Nockenwelle 3. Reibungsbedingt erfolgt eine Phasenver stellung bei der Nockenwelle 3.
Kupplung 6 geöffnet und Momentenbremse 19 geschlossen:
Es erfolgt eine Phasenverstellung in Richtung "früh". Dies folgt aus folgender Gleichung
Es erfolgt eine Phasenverstellung in Richtung "früh". Dies folgt aus folgender Gleichung
nM = Drehzahl des Momentenübertragungselementes (2)
nN = Drehzahl der Nockenwelle (3)
Z = Zähnezahl der Stirnräder.
nN = Drehzahl der Nockenwelle (3)
Z = Zähnezahl der Stirnräder.
Bei dem Nockenwellenantrieb nach Fig. 8 ist in die Momenten
übertragung zwischen der Kurbelwelle 1 und der Nockenwelle 3
ein Schaltgetriebe 38 eingesetzt. Mit diesem Schaltgetriebe
38 ist es möglich, wahlweise je nach Schaltstellung des Ge
triebes eine unmittelbare Phasenverstellung nach "früh" oder
"spät" einstellen zu können. Die genauen Verstellwinkel wer
den wie bei den anderen Ausführungen jeweils durch eine
Steuer- oder Regeleinrichtung mit Drehwinkelgebern an der.
Nockenwelle 3 sowie gegebenenfalls zusätzlich an der Kurbel
welle 1 äußerst exakt erreicht.
Der Aufbau des Getriebes 38 gleicht im Prinzip demjenigen
nach der Fig. 6. Bei dem Getriebe nach Fig. 8 sind lediglich
die eingangsseitigen, das heißt die zu dem Momentenübertra
gungselement 2 gelegenen Stirnradpaarungen doppelt ausge
führt, wobei durch entsprechendes Schalten jeweils nur eine
Paarung wirksam ist. Beide Ausführungen unterscheiden sich
dadurch, daß abtriebsseitig eine unterschiedliche Drehrich
tung erzeugt wird, wozu in einer der beiden Stirnradpaare
ein zusätzliches Stirnrad zwischengeschaltet ist. Mit Bezug
auf die Ausführung nach Fig. 6 sind in Fig. 8 die funktio
nell entsprechenden Stirnräder in dem Schaltgetriebe 38 mit
gleichen Bezugszahlen belegt und lediglich durch einen Ein
strich- bzw. Zweistrich-Index ergänzt. Das zur Drehrich
tungsumkehr eingesetzte Stirnrad 28" ist bei der Ausführung
nach Fig. 8 antriebsseitig vorgesehen, während dieses bei der
Ausführung nach Fig. 6 abtriebsseitig eingebaut ist.
Die Wellen 33' und 33" zu den eingangsseitigen Stirnradpaa
rungen verlaufen koaxial zueinander und besitzen an ihren
Enden jeweils in Achsrichtung der Nockenwelle 3 nebeneinan
der liegende Bremsscheiben 25' bzw. 25". Zusammen mit einem
in Achsrichtung der Nockenwelle 3 beweglichen Schieber 39
bilden die Bremsscheiben 25' und 25" funktionell einerseits
eine Kupplung und andererseits eine Momentenbremse. Durch
den Schieber 39 können drei Schaltstellungen realisiert wer
den:
- a) Bremsscheibe 25" ist durch Anlage an dem Schieber 39 ortsfest fixiert, während die Bremsscheibe 25' frei dre hen kann.
- b) Die Bremsscheiben 25' und 25" sind über den Schieber 39 gemeinsam drehfest fixiert.
- c) Die Bremsscheibe 25' ist durch Anlage an den Schieber 39 drehfest fixiert, während die Bremsscheibe 25" frei drehen kann.
Die Funktionsweise dieser Ausführung des Nockenwellenantrie
bes ist wie folgt.
Schaltstellung a:
Die Nockenwelle 3 dreht mit der Winkelgeschwindigkeit i.ω
Die Nockenwelle 3 dreht mit der Winkelgeschwindigkeit i.ω
Z = Zähnezahl der Stirnräder.
Da dieser Term niemals kleiner oder gleich 1 werden kann,
dreht sich in dieser Schaltstellung die Nockenwelle 3 immer
schneller als das Momentenübertragungselement 2.
Schaltstellung b:
Die Nockenwelle 3 dreht mit der Drehgeschwindigkeit des Mo mentenübertragungselementes 2, da die Zahnräder sich in die ser Schaltstellung gegenseitig blockieren.
Die Nockenwelle 3 dreht mit der Drehgeschwindigkeit des Mo mentenübertragungselementes 2, da die Zahnräder sich in die ser Schaltstellung gegenseitig blockieren.
Schaltstellung c:
Die Nockenwelle 3 dreht mit der Winkelgeschwindigkeit i.ω
Die Nockenwelle 3 dreht mit der Winkelgeschwindigkeit i.ω
Z = Zähnezahl der Stirnräder.
Da dieser Term niemals größer oder gleich 1 werden kann,
dreht sich in dieser Schaltstellung die Nockenwelle 3 immer
langsamer als das Momentenübertragungselement 2.
Soll bei Motorbetrieb keine Änderung des Phasenwinkels zwi
schen Kurbel- und Nockenwelle erfolgen, so wird der Schieber
39 in die Schaltstellung b gebracht.
Wird eine Phasenverstellung in Richtung "spät" erwünscht, so
wird der Schieber 39 für ein Zeitintervall aus der Stellung
b in die Stellung a gebracht. Umgekehrt wird eine Phasenver
stellung in Richtung "früh" erreicht, wenn der Schieber 39
für ein Zeitintervall aus der Stellung b in Stellung c ge
bracht wird.
Das Funktionsprinzip dieser Ausführung des Schaltgetriebes
38 erlaubt damit sowohl in Richtung "früh" als auch in Rich
tung "spät" ein stufenloses, unbegrenztes Verstellen der
Phasenlage zwischen der Kurbelwelle 1 und der Nockenwelle 3.
Es können auch Verstellwinkel über 360° realisiert werden,
wodurch es beispielsweise möglich ist, den Phasenwinkel ei
ner nach "spät" verstellten Nockenwelle 3 weiter zu vergrö
ßern bis die Nockenwelle 3 den neuen gewünschten Phasenwin
kel bei "früh" erreicht. Dies bringt vor allem bei der Nut
zung unterschiedlicher Verstellgeschwindigkeiten "früh" und
"spät" Zeitersparnis bei der Einstellung eines Phasenwin
kels. Außerdem kann dadurch vermieden werden, daß bei den
Stirnrädern des Getriebes stets die gleichen Zahnflanken bei
häufig auftretenden Phasenwinkeln wie beispielsweise bei 0°
belastet werden.
Soll die Phasenverstellung nur in einem definierten Bereich
möglich sein, können in dem System auch hier Anschläge zur
Begrenzung der Verstellbewegung und zur Entlastung der Zahn
flanken in der spätesten Winkelposition vorhanden sein.
Die Funktion des Schiebers in der Stellung b, bei der die
beiden Bremsscheiben 25' und 25" gemeinsam ortsfest fixiert
sind, kann ersetzt werden durch den Einsatz eines selbsthem
menden Getriebes, wozu beispielsweise ein Schneckengetriebe
verwendet werden kann. Die Selbsthemmung muss in diesem Fall
eine Größe besitzen, die das für den Nockenwellenantrieb er
forderliche Moment sicher übersteigt. In diesem Fall ist die
Schaltstellung b des Schiebers 39 immer dann wirksam, wenn
keine der beiden Bremsscheiben 25' oder 25" in den Schalt
stellungen a und c Kontakt mit dem Schieber 39 besitzt. In
den Schaltstellungen a und c wird die Selbsthemmung des Ge
triebes überwunden, so daß hierdurch die gewünschten Phasen
verstellungen erreichbar sind.
In gleicher Weise wie das Getriebe nach Fig. 6 in der Art
nach Fig. 5 ausgebildet werden kann, indem die Nockenwelle 3
entweder starr mit dem Getriebegehäuse oder der Getriebeab
triebswelle verbunden ist, ist eine solche unterschiedliche
Ausführungsform grundsätzlich auch bei der Getriebeausfüh
rung nach Fig. 8 möglich.
In Fig. 9 ist ein Beispiel einer Verstelleinrichtung ge
zeigt, mit der die Funktion des Schiebers 39 bei dem Getrie
be nach Fig. 8 erreicht werden kann. Bei dieser Stellein
richtung wird allerdings kein Schieber 39 verschoben, son
dern es erfolgt eine kinematische Umkehrung dahingehend, daß
die dem Schieber 39 entsprechenden Teile ortsfest sind, wäh
rend die Bremsscheiben in Richtung ihrer Achsen längsver
schiebbar sind.
Im Einzelnen ist die Einrichtung wie folgt aufgebaut.
Ein beidseitig wirkendes Axiallager 50 verhindert ein axia
les Verschieben der Wellen 33' und 33". Auf dem Ende der
Welle 33' sitzt eine axial verschiebliche, aber drehfest
verbundene Kupplungsscheibe 40, die beidseitig mit Reibflä
chen versehen ist. Ebenso befindet sich am Ende der als
Hohlwelle ausgebildeten Welle 33' eine axial verschiebliche,
aber drehfest verbundene Kupplungsscheibe 41, die ebenfalls
beidseitig Reibflächen aufweist.
Diese beiden Kupplungsscheiben 40 und 41 werden durch die
Kraft von Stahlfedern 42 und 43 oder über einen nicht darge
stellten Aktor aneinandergepresst, wodurch ein Kraftschluss
entsteht. Dieser Zustand entspricht der oben beschriebenen
Schaltstellung b.
Zur Erreichung der Schaltstellung c wird die Kupplungsschei
be 40 durch einen Aktor 44 von der Kupplungsscheibe 41 ge
trennt und gegen eine ortsfeste. Bremsscheibe 45 gepresst,
wodurch die Kupplungsscheibe 40 abgebremst wird. Ein Wellen
bund 46 auf der Welle 33' verhindert, daß die Kupplungs
scheibe 41 der Axialverschiebung der Kupplungsscheibe 40
folgen kann und somit eine Berührung der Kupplungsscheiben
40 und 41 in diesem Schaltzustand vermieden wird.
Zur Ermöglichung der Schaltstellung a wird die Kupplungs
scheibe 41 durch einen Aktor 47 von der Kupplungsscheibe 40
getrennt und gegen eine ortsfeste Bremsscheibe 48 gebremst,
wodurch die Kupplungsscheibe 41 abgebremst wird. Ein Wellen
bund 49 auf der Welle 33' verhindert, daß die Kupplungs
scheibe 40 der Axialverschiebung der Kupplungsscheibe 41
folgen kann, wodurch eine Berührung der Kupplungsscheiben 40
und 41 in diesem Schaltzustand vermieden wird.
Ein Abheben der Kupplungsscheibe 40 bzw. 41 hat gleichzeitig
ein Beschleunigen der zweiten Kupplungsscheibe 41 bzw. 40
zur Folge. Liegen am An- und Abtrieb keine Wechselmomente
an, so können an einer oder an beiden Kupplungsscheiben
Freiläufe vorgesehen werden, durch die das - für die Funkti
on unnötige - Beschleunigen der ungebremsten Kupplungsschei
be vermieden wird.
Claims (7)
1. Einrichtung zum Betätigen der Gaswechselventile eines
Verbrennungsmotors mit einer von der Kurbelwelle eines Ver
brennungsmotors über Momentenübertragungselemente angetrie
benen Nockenwelle und einer Vorrichtung zum Verändern des
Phasenverhältnisses zwischen der Kurbel- und Nockenwelle,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zwischen der Kurbelwelle (1) und der Nockenwelle (3)
liegenden Momentenübertragungselemente (2) mit einer momen
tenunterbrechenden oder verändernden Schalteinrichtung ver
sehen sind, wobei durch diese Schalteinrichtung bei einer
ersten Schaltstellung eine vollständige und bei einer zwei
ten Schaltstellung keine oder eine veränderte Momentenüber
tragung erfolgt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nockenwelle (3) mit umfangsmäßig fest zugeordneten
ersten Positionierelementen (12) versehen ist, die bei der
zweiten Schaltstellung der Schalteinrichtung in drehfest an
geordneten, umfangsmäßig verteilten zweiten Positionierele
menten (15) fixierbar sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 der 2,
gekennzeichnet durch die Merkmale
- 1. die Momentenübertragungselemente (2) umfassen ein Ge triebe (16; 17; 18), mit dem das Phasenverhältnis zwi schen Kurbel- und Nockenwelle (1 bzw. 3) bei einem Zu stand der Schalteinrichtung in der zweiten Schaltstel lung verändert werden kann,
- 2. die Momentenübertragungselemente (2) umfassen ferner ei ne Momentenbremse (19), die ausschließlich bei einem Zu stand der Schalteinrichtung in der zweiten Schaltstel lung auf momentenübertragende Teile des Getriebes (16; 17; 18) aktiv zur Veränderung des mit dem Getriebe er zielten Übersetzungsverhältnisses einwirken kann.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Getriebe (16; 17; 18) als ein die Drehrichtung zwi
schen An- und Abtriebsseite wechselbares Schaltgetriebe aus
gebildet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
gekennzeichnet durch die Merkmale,
- 1. zur Erzielung der ersten Schaltstellung der Schaltein richtung ist ein selbsthemmendes Getriebe (16; 17; 18) eingesetzt,
- 2. die zweite Schaltstellung der Schalteinrichtung ist bei einem die Selbsthemmung übersteigenden, durch die Momen tenbremse (19) erzeugten. Bremsmoment wirksam.
6. Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung nach einem
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Phasenverhältnis zwischen der Kurbel- und Nockenwel
le (1, 3) durch die Wahl der Verweildauer der Schalteinrich
tung in der zweiten Schaltstellung gezielt in einem vorbe
stimmbaren Maße veränderbar ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verweildauer der Schalteinrichtung in der zweiten
Schaltstellung durch eine das zwischen der Kurbel- und Nok
kenwelle (1, 3) vorbestimmte Maß der Phasenverstellung er
fassende Drehwinkelmessvorrichtung gesteuert oder geregelt
wird.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2001116300 DE10116300A1 (de) | 2001-03-31 | 2001-03-31 | Einrichtung zum Betätigen der Gaswechselventile eines Verbrennungsmotors und Verfahren zur Handhabung dieser Einrichtung |
PCT/DE2002/000719 WO2002079611A1 (de) | 2001-03-31 | 2002-02-27 | Einrichtung zum betätigen der gaswechselventile eines verbrennungsmotors und verfahren zur handhabung dieser einrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=7680050
Family Applications (1)
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