DE102005061445A1

DE102005061445A1 - Sicherheitskupplung für angetriebene Anbauteile an einem Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102005061445A1
Application number: DE200510061445
Authority: DE
Inventors: Dieter Mück; Uwe Winter
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-19

Abstract

Ein Nockenwellentrieb für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs hat ein Triebmittel (18), der ein Kurbelwellenrad (9) mit einem Nockenwellenrad (13) verbindet. Ferner ist wenigstens ein Nebenaggregatrad (16) zur drehfesten Verbindung mit der Antriebswelle (4) eines Nebenaggregats (15) vorgesehen, an dem eine Sicherheitskupplung (17) vorgesehen ist, die beim Überschreiten eines vorgegebenen Antriebsdrehmoments des Nebenaggregatrads (16) die drehfeste Verbindung mit der Antriebswelle (4) freigibt.

Description

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug.
Bei solchen Verbrennungsmotoren kommt es gelegentlich zu Motorschäden, wenn ein Kolben eines der in den Verbrennungsraum ragenden Ventile berührt. Besonders häufig geschieht dies bei Verbrennungsmotoren, bei denen im Ventiltrieb zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle ein weiteres Nebenaggregat wie beispielsweise eine Einspritzpumpe für einen Dieselmotor angeordnet ist, wenn dieses Nebenaggregat blockiert.

Die JP 51127970 zeigt eine Kupplungsvorrichtung zum Ausführen einer Umdrehung. Eine Notbremsung ist vorgesehen, wenn sich die Vorrichtung zwischen den vorgesehenen Stoppplätzen befindet. Weiterhin hält diese Vorrichtung nach einer Umdrehung an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellentrieb für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, bei dem stets ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Gemäß der Erfindung weist der Nockenwellentrieb ein Triebmittel wie einen Zahnriemen oder eine Steuerkette auf, das ein Kurbelwellenrad mit mindestens einem Nockenwellenrad drehwinkelgenau verbindet. Dadurch wird jeweils eine vorgegebene Stellung der Nockenwelle bezüglich der Kurbelwelle eingehalten, was einen bestimmungsgemäßen Betrieb des Verbrennungsmotors sicherstellt.

Man könnte nun darauf verzichten, ein Nebenaggregat über ein Nebenaggregatrad im Nockenwellentrieb anzutreiben. Dies könnte beispielsweise dadurch geschehen, dass das Nebenaggregat an einer anderen Stelle der Nockenwelle oder Kurbelwelle angreift und von dort seine Antriebsenergie bezieht. Ein Blockieren hätte dann keinen schädlichen Einfluss auf den Nockenwellentrieb.

Die Erfindung geht einen anderen Weg. Gemäß der Erfindung ist weiterhin ein Nebenaggregatrad im Nockenwellentrieb vorgesehen, wobei das Nebenaggregatrad drehfest mit der Antriebswelle eines Nebenaggregats zu verbinden ist. Dabei ist am Nebenaggregatrad eine Sicherheitskupplung beispielsweise in Form einer Drehmomentkupplung vorgesehen, die beim Überschreiten eines vorgegebenen Antriebsdrehmoments des Nebenaggregatrads die drehfeste Verbindung mit der Antriebswelle zumindest zeitweise freigibt.

Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung löst die Sicherheitskupplung beim Blockieren des Nebenaggregats aus, wodurch sich das Nebenaggregatrad weiterdrehen kann, obwohl die Antriebswelle des Nebenaggregats feststeht. Der Nockenwellentrieb bleibt dadurch vom Blockieren des Nebenaggregats unbeeinflusst.

Eine der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis sagt aus, dass im Dauerbetrieb ein Bauteilversagen von Anbauteilen bzw. Nebenaggregaten wie Hochdruckpumpe, Klimakompressor, Generator etc. nicht vollständig ausgeschlossen werden kann. Solche Nebenaggregate sind bei modernen Motoren häufig im Nockenwellentrieb integriert oder sogar direkt mechanisch mit der Nockenwelle verbunden. Falls ein solches Bauteil versagt, so dass dessen Antriebswelle feststeht, führt dies dazu, dass auch das entsprechende Nebenaggregatrad feststeht. Hierfür sind besonders Fertigungsfehler beim Hersteller des Nebenaggregats oder auch schlechte oder falsche Wartung des Verbrennungsmotors verantwortlich. Durch die bauartbedingte Ausführung kommt es dabei zu den o. g. Folgeschäden und damit zum Motortotalausfällen. Im Falle einer Blockade der ausgefallenen Nebenaggregate kommt es ohne die Erfindung zum Blockieren der Nockenwelle, oder zumindest zu deren Verstellung bezüglich der Kurbelwelle. Gelegentlich kann auch das Triebmittel reißen. Damit bleiben die Ventile des Zylinderkopfs in ihrer gerade vorgesehenen Stellung stehen. Durch den Schub des Kraftfahrzeugs und die Massenkinetik der Kurbelwelle werden die Kolben im Verbrennungsraum weiter bewegt. Dadurch kann es zu der o. g. Berührung zwischen Ventil und Kolben und dann zum Ventilbruch und Motortotalschaden kommen, wenn die Erfindung nicht eingesetzt wird.

Um den Motor vor der Selbstzerstörung zu schützen, wird erfindungsgemäß eine Drehmomentkupplung bzw. eine Sicherheitskupplung zwischen das Nebenaggregatrad und dessen Antriebswelle geschaltet. Diese Sicherheitskupplung wird im Schadensfall ausgelöst, um eine Entkopplung des blockierten Teils zu erzielen. Dadurch wird die Nockenwelle vor einer Abbremsung bewahrt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Sicherheitskupplung als Wellenkupplung ausgebildet, die be sonders einfach in vorhandene Gestaltungen integriert werden kann. Solche Wellenkupplungen sind aus dem Gebiet der Werkzeugmaschinen-Konstruktion bekannt, dort werden diese als „Drehmomentbegrenzer" und als „Überaastschutz" eingesetzt. Die EP 1 083 029 zeigt eine solche drehmomentbetätigte Sicherheitskupplung. Solche als Wellenkupplung ausgebildete Sicherheitskupplungen können besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.

Gemäß der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Sicherheitskupplung wenigstens ein Rastelement aufweist, das durch die Kraft einer elastischen Feder in eine Rastvertiefung gedrückt ist. Dabei wird durch Rastelement und Rastvertiefung eine formflüssige Kraftübertragung bewirkt. Derart ausgebildete Sicherheitskupplungen haben den Vorteil, dass die Stellung der Antriebswelle des Nebenaggregats bezüglich des Nebenaggregatrads festlegbar ist, und zwar durch die Anordnung des Rastelements bezüglich der Rastvertiefung. Dadurch ist gewährleistet, dass die Winkelstellung der Antriebswelle einer Einspritzpumpe als Nebenaggregat bezüglich der Winkelstellung der Kurbelwelle und der Winkelstellung der Nockenwelle auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, der die zuverlässige Funktion des Verbrennungsmotors gewährleistet. Somit ist eine synchronisierte Einspritzung bezüglich der momentanen thermodynamischen Zustände im Inneren des Verbrennungsmotors möglich.

Die Sicherheitskupplung kann auch wenigstens ein Scherelement aufweisen, das eine formschlüssige Kraftübertragung vorsieht. Ein solches Scherelement kann beispielsweise ein Axialstift oder ein Radialstift sein. Dadurch lässt sich ebenfalls eine bestimmte Winkelstellung der Welle des Nebenaggregats bezüglich der anderen Wellen im Verbrennungsmotor vorgeben. Gemäß der Erfindung ist das Scherelement so dimensioniert, dass es beim Überschreiten eines vorgegebenen Drehmoments versagt und dabei die formflüssige Kraftübertragung beendet. Anders als beispielsweise bei einer Durchrastkupplung ist eine solche Sicherheitskupplung nach einem einzigen Störfall beschädigt und muss instand gesetzt oder ersetzt werden. Andererseits hat eine einfache, beispielsweise per Scherstiften bereitgestellte Sicherheitskupplung den Vorteil, dass eine Auslösung jedenfalls bemerkt wird.

Die Erfindung betrifft auch einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Nockenwellentrieb, wobei das Triebmittel als Zahnriemen oder als Steuerkette ausgebildet sein kann. Dabei wird das Triebmittel durch die Sicherheitskupplung vor einer Zerstörung bewahrt bzw. wird das Überspringen eines Zahns der Räder des Nockenwellentriebs verhindert. Das Nockenwellenrad kann sich stets zusammen mit dem Kurbelwellenrad in einer vordefinierten Stellung zueinander drehen, wodurch eine Berührung der Ventile mit der Oberseite der Kolben vermieden wird.

Gemäß der Erfindung kann der Nockenwellentrieb auch noch einen elektrischen Schalter zum Detektieren eines Auslösens der Sicherheitskupplung aufweisen. Ein solcher Schalter kann im Bereich der Sicherheitskupplungselbst angeordnet sein, beispielsweise als so genannter Endschalter. In dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist dann im Bereich eines Fahrersitzes eine Vorrichtung zur Anzeige des Zustands dieses Schalters vorgesehen. Dadurch wird dem Fahrer des Kraftfahrzeugs unmissverständlich mitgeteilt, dass eine Störung am Verbrennungsmotor vorliegt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1. Vom Verbrennungsmotor 1 sind in dieser Darstellung nur beispielhaft eine Kurbelwelle 2, eine Nockenwelle 3 und eine Nebenaggregatwelle 4 gezeigt. Es gibt auch Systeme mit mehr als einer Nebenaggregatwelle und mehr als einer Nockenwelle.
An der Kurbelwelle 2, die in Gleitlagern 5 gelagert ist, sind vier Pleuel 6 mit Kolben 7 vorgesehen. Außerdem ist am ausgangsseitigen Ende der Kurbelwelle 2 ein Schwungrad 8 vorgesehen. An dem dem Schwungrad 8 gegenüberliegenden Ende der Kurbelwelle 2 ist ein Kurbelwellenrad 9 vorgesehen, das als Zahnriemenscheibe oder Steuerkettenrad (nicht gezeigt) ausgebildet ist.
Die Nockenwelle 3 ist in Gleitlagern 10 gelagert und treibt über Nocken 11 eine Vielzahl von Ventilen 12 an. An einem Ende ist ein Nockenwellenrad 13 vorgesehen, das als Riemenscheibe oder Zahnrad ausgebildet ist.
Die Nebenaggregatwelle 4 ist in Gleitlagern 14 gelagert. Zwischen den Gleitlagern 14 ist ein Nebenaggregat 15 angedeutet. An einem Ende der Nebenaggregatwelle 4 befindet sich ein Nebenaggregatrad 16, das als Riemenscheibe ausgebildet ist. Die Nebenaggregatwelle 4 ist zwischen dem Nebenaggregatrad 16 und dem Nebenaggregat 15 unterbrochen, wobei eine Sicherheitskupplung 17 eingesetzt ist.
Über das Nockenwellenrad 13, das Nebenaggregatrad 16 und das Kurbelwellenrad 9 ist ein in dieser Ansicht mit Strichlinien angedeuteter Zahnriemen 18 oder Kette (nicht gezeigt) geführt, der Drehmoment von der Kurbelwelle 2 auf die Nockenwelle 3 und die Nebenaggregatwelle 4 überträgt.
Sofern dabei das Nebenaggregat 15 blockiert, so dass sich die Nebenaggregatwelle 4 nicht mehr drehen kann, erzeugt der Zahnrie men über das Nebenaggregatrad 16 ein erhöhtes Drehmoment in der Sicherheitskupplung 17. Übersteigt dieses Drehmoment ein vorgegebenes Drehmoment, dann löst die Sicherheitskupplung 17 aus, so dass sich das Teilstück der Nebenaggregatwelle 4, auf der das Nebenaggregatrad 16 vorgesehen ist, frei drehen kann.

1: Verbrennungsmotor
2: Kurbelwelle
3: Nockenwelle
4: Nebenaggregatwelle
5: Gleitlager
6: Pleuel
7: Kolben
8: Sprungrad
9: Kurbelwellenrad
10: Gleitlager
11: Nocken
12: Ventil
13: Nockenwellenrad
14: Gleitlager
15: Nebenaggregat
16: Nebenaggregatrad
17: Sicherheitskupplung
18: Zahnriemen

Claims

Nockenwellentrieb für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit einem Triebmittel (18), der ein Kurbelwellenrad (9) mit mindestens einem Nockenwellenrad (13) verbindet, wobei ferner wenigstens ein Nebenaggregatrad (16) zur drehfesten Verbindung mit der Antriebswelle (4) eines Nebenaggregats (15) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Nebenaggregatrad (16) eine Sicherheitskupplung (17) vorgesehen ist, die beim Überschreiten eines vorgegebenen Antriebsdrehmoments des Nebenaggregatrads (16) die drehfeste Verbindung mit der Antriebswelle (4) freigibt.
Nockenwellentrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitskupplung (17) als Wellenkupplung ausgebildet ist.
Nockenwellentrieb nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitskupplung wenigstens ein Rastelement aufweist, das durch die Kraft einer elastischen Feder in eine Rastvertiefung gedrückt ist, wobei durch Rastelement und Rastvertiefung eine formschlüssige Kraftübertragung vorgesehen ist.
Nockenwellentrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitskupplung wenigstens ein Scherelement aufweist, das eine formschlüssige Kraftübertragung vorsieht, wobei das Scherelement so dimensioniert ist, dass es beim Überschreiten eines vorgegebenen Drehmoments versagt und dabei die formschlüssige Kraftübertragung beendet.
Verbrennungsmotor für ein Kraftfahrzeug mit einem Nockenwellentrieb, der ein Triebmittel (18) aufweist, der ein Kurbelwellenrad (9) mit einem Nockenwellenrad (13) verbindet, wobei ferner wenigstens ein Nebenaggregatrad (16) zur drehfesten Verbindung mit der Antriebswelle (4) eines Nebenaggregats (15) vorgesehen ist, wobei der Nockenwellentrieb ferner nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellentrieb einen elektrischen Schalter zum Detektieren eines Auslösens der Sicherheitskupplung aufweist.
Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 5 oder Anspruch 6.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7 und mit einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines Fahrersitzes eine Vorrichtung zur Anzeige des Zustands des Schalters vorgesehen ist.