DE102014207989A1

DE102014207989A1 - Hydraulischer Phasensteller einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE102014207989A1
Application number: DE102014207989.6A
Authority: DE
Inventors: Ali BAYRAKDAR
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2015-10-29
Also published as: WO2015165444A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hydraulischer Phasensteller (3) einer Nockenwelle für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, der zwischen einem Antriebsrad (6) eines Steuertriebs und der Nockenwelle (2) angeordnet ist. Der Phasensteller (3) weist zwei radial innenliegende und axial benachbarte Arbeitsanschlüssen (A, B) sowie ein zentral in einer zylindrischen Öffnung (9) der Nockenwelle (2) angeordnetes Steuerventil (4) auf. Das Steuerventil (4) weist ein hohlzylindrisches Ventilgehäuse (10) und einen darin axialbeweglich geführten hohlzylindrischen Ventilkolben (13) auf, der durch einen ansteuerbaren Linearsteller (5) gegen die Rückstellkraft einer Ventilfeder (15) zur variablen Verbindung eines Druckanschlusses (P) und eines Tankanschlusses (T) mit den Arbeitsanschlüssen (A, B) zwischen zwei Endpositionen axial verschiebbar ist. Zur Realisierung einer Steuerventilanordnung mit besonders kompakten Abmessungen und kurzen hydraulischen Verbindungswegen ist vorgesehen, dass in Verbindung mit einer vorteilhaften Ausbildung des Steuerventils (4) der Druckanschluss (P) axial zwischen dem Linearsteller (5) und dem Phasensteller (3) sowie der Tankanschluss (T) axial zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen (A, B) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen hydraulischer Phasensteller einer Nockenwelle für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, der zwischen einem Antriebsrad und der Nockenwelle angeordnet ist, wobei das Antriebsrad über einen formschlüssigen Steuertrieb mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Triebverbindung steht, mit zwei radial innen angeordneten und axial benachbarten Arbeitsanschlüssen, mit einem zentral in einer zylindrischen Öffnung der Nockenwelle angeordneten Steuerventil, welches ein hohlzylindrisches Ventilgehäuse und einen darin axialbeweglich geführten hohlzylindrischen Ventilkolben aufweist, wobei der Ventilkolben durch einen ansteuerbaren Linearsteller gegen die Rückstellkraft einer Ventilfeder zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition axial verschiebbar ist, wobei in der ersten Endposition der erste Arbeitsanschluss mit einem ein Druckmittel zuführenden Druckanschluss und der zweite Arbeitsanschluss mit einem drucklosen Tankanschluss verbunden ist, und bei dem in der zweiten Endposition der erste Arbeitsanschluss mit dem Tankanschluss und der zweite Arbeitsanschluss mit dem Druckanschluss verbunden ist.
Bei im Viertaktverfahren arbeitenden Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Kolbenmotoren, werden als Gaswechselventile bezeichnete Einlass- und Auslassventile üblicherweise über mindestens eine Nockenwelle betätigt, wobei diese Ventile jeweils durch die Hubkontur einer zugeordneten Nocke der Nockenwelle gegen die Rückstellkraft einer Ventilfeder geöffnet und bei zurückgehender Hubkontur durch die Ventilfeder wieder geschlossen werden.
Die Nockenwelle wird durch einen formschlüssigen Steuertrieb, der als Kettentrieb, als Zahnriementrieb oder als Stirnradtrieb ausgebildet sein kann, mit einer Übersetzung von 2:1 von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben. Die Übersetzung resultiert aus der Tatsachse, dass ein Arbeitszyklus eines Viertaktmotors zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erfordert, während sich die Nockenwelle bei einem Arbeitszyklus nur einmal dreht. Die Übertragung der durch die Hubkonturen der Nocken bewirkten Hubbewegungen auf die Gaswechselventile erfolgt in der Regel über sogenannte Nockenfolger, die als Tassenstößel, als Kipphebel oder als Schlepphebel ausgebildet sein können und zwischen den Nocken der Nockenwelle und dem jeweiligen Schaftende der Gaswechselventile angeordnet sind.
Um bei einem derartigen Verbrennungsmotor eine Drehmoment- und Leistungssteigerung sowie eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen zu erreichen, ist es seit längerem bekannt, die an sich starre Triebverbindung zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle durch einen zwischen dem Antriebsrad des Steuertriebs und der Nockenwelle angeordneten Phasensteller begrenzt verstellbar zu gestalten. Durch eine entsprechende Ansteuerung des Phasenstellers, mittels dem die Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad in Drehrichtung vorauseilend, also in Richtung früh verstellbar, oder entgegen der Drehrichtung, also in Richtung spät verstellbar ist, können die Steuerzeiten der Gaswechselventile in Abhängigkeit von relevanten Betriebsparametern, wie der aktuellen Motordrehzahl und der aktuellen Motorlast, in geeigneter Weise variiert werden.
In einer bekannten Bauart ist der Phasensteller als ein hydraulisch verstellbarer, als Flügelzellenversteller bezeichneter Schwenksteller ausgebildet, der einen drehfest und axial unverschiebbar mit dem Antriebsrad des Steuertriebs verbundenen Außenrotor sowie einen starr mit der Nockenwelle verbundenen Innenrotor aufweist. Der Innenrotor weist mehrere über seinen Außenumfang verteilt angeordnete, radial ausgerichtete Flügel auf, die in nach radial innen offene Kammern des Außenrotors eingreifen und diese jeweils in erste und zweite Druckräume unterteilen. Die ersten Druckräume stehen über in dem Innenrotor angeordnete erste Kanäle mit einem radial innenliegenden ersten Arbeitsanschluss für die Durchleitung eines Druckmittels in Verbindung. Die zweiten Druckräume stehen über in dem Innenrotor angeordnete zweite Kanäle mit einem radial innenliegenden und zu dem ersten Arbeitsanschluss axial benachbarten zweiten Arbeitsanschluss für die Durchleitung eines Druckmittels in Verbindung.
Durch die Verbindung des ersten Arbeitsanschlusses mit einem über eine Druckleitung mit einer Druckquelle verbundenen Druckanschluss und die gleichzeitige Verbindung des zweiten Arbeitsanschlusses mit einem über eine drucklose Rückflussleitung mit einem Sammeltank verbundenen Tankanschluss wird Druckmittel in die ersten Druckräume gefördert und über die Flügel Druckmittel aus den zweiten Druckräumen verdrängt. Dies entspricht beispielsweise einer Verstellung des Innenrotors und der mit diesem verbundenen Nockenwelle gegenüber dem Außenrotor sowie dem mit diesem verbundenen Antriebsrad des Steuertriebs in Richtung früh. Dementsprechend führen die Verbindung des zweiten Arbeitsanschlusses mit dem Druckanschluss und die gleichzeitige Verbindung des ersten Arbeitsanschlusses mit dem Tankanschluss zu einer Verstellung der Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad des Steuertriebs in Richtung spät.
Die Steuerung des Phasenstellers erfolgt üblicherweise über ein als ein 4/3-Wege-Proportionalventil ausgebildetes Steuerventil, das ein hohlzylindrisches Ventilgehäuse und einen darin axialbeweglich geführten hohlzylindrischen Ventilkolben aufweist. Der Ventilkolben ist durch einen ansteuerbaren Linearsteller gegen die Rückstellkraft einer Ventilfeder zwischen einer ersten Endposition, in welcher der erste Arbeitsanschluss mit dem Druckanschluss und der zweite Arbeitsanschluss mit dem Tankanschluss verbunden ist, und einer zweiten Endposition, in welcher der erste Arbeitsanschluss mit dem Tankanschluss und der zweite Arbeitsanschluss mit dem Druckanschluss verbunden ist, axial verschiebbar. Der Linearsteller kann zum Beispiel als ein schaltbarer Elektromagnet ausgebildet sein, dessen Anker über einen Betätigungsstößel mit dem Ventilkolben in Verbindung steht. Zur Erzielung kurzer hydraulischer Verbindungswege und einer entsprechend hohen Stelldynamik des Phasenstellers ist das Steuerventil bevorzugt zentral, also koaxial innerhalb des Phasenstellers in einer zylindrischen Öffnung der Nockenwelle angeordnet.
Aus der EP 1 596 040 B1 ist ein derartiger hydraulischer Phasensteller einer Nockenwelle bekannt, der als ein Flügelzellenversteller ausgebildet ist, und dessen Steuerventil zentral koaxial innerhalb des Phasenstellers in einer zylindrischen Bohrung der Nockenwelle angeordnet ist. Das Druckmittel wird über eine zum Beispiel in einem Steuergehäuse angeordnete Druckleitung an einen Druckanschluss geführt, der axial zwischen dem Linearsteller und dem Phasensteller angeordnet ist. Über Durchtrittsöffnungen in den Wänden der Nockenwelle und des Ventilgehäuses gelangt das Druckmittel unabhängig von der Axialposition des Ventilkolbens in eine axial relativ breite Außennut des Ventilkolbens und von dort über ringförmig angeordnete Eintrittsbohrungen in den Innenraum des Ventilkolbens. Über axial weiter innen ringförmig angeordnete Austrittsbohrungen gelangt das Druckmittel dann in eine axial relativ schmale Außennut des Ventilkolbens und von dort abhängig von der Axialposition des Ventilkolbens über entsprechende Durchtrittsöffnungen in den Wänden des Ventilgehäuses und der Nockenwelle zu dem ersten Arbeitsanschluss oder zu dem zweiten Arbeitsanschluss. Für die Belüftung der Arbeitsanschlüsse sind zwei Tankanschlüsse vorgesehen. Der erste Arbeitsanschluss wird über eine axial relativ schmale Außennut des Ventilkolbens und Durchtrittsöffnungen in der Wand der Nockenwelle über einen zwischen dem Druckanschluss und dem ersten Arbeitsanschluss angeordneten ersten Tankanschluss belüftet. Der zweite Arbeitsanschluss wird über einen Federraum und eine Zentralbohrung des Ventilgehäuses in einen innenliegenden Hohlraum der Nockenwelle und von dort durch Durchtrittsöffnungen in der Wand der Nockenwelle über einen zwischen dem Phasensteller und der ersten Nocke der Nockenwelle angeordneten zweiten Tankanschluss belüftet.
Ein ähnliches Steuerventil eines hydraulischen Phasenstellers ist auch in der EP 1 596 041 A2 beschrieben. Gegenüber dem vorgenannten Steuerventil ist nun jedoch in dem Ventilkolben ein als Kugelventil ausgebildetes Rückschlagventil zwischen den Eintrittsbohrungen und den Austrittsbohrungen angeordnet. Durch das Rückschlagventil sollen von dem Phasensteller ausgehende Druckspitzen, die von auf die Nockenwelle wirksamen Drehmomentschwankungen des Ventiltriebs verursacht werden, von der Druckleitung beziehungsweise der Druckversorgungseinrichtung und damit auch von anderen Druckmittelnutzern ferngehalten werden.
Aus der DE 10 2004 025 215 A1 ist ein hydraulischer Phasensteller einer Nockenwelle bekannt, dessen Innenrotor über das Ventilgehäuse des Steuerventils an der Nockenwelle befestigt ist. Das Steuerventil ist somit mit Ausnahme eines innenliegenden Gewindeschaftes außerhalb der Nockenwelle angeordnet. In einer ersten Ausführungsvariante dieses Phasenstellers gemäß den dortigen 1 und 2 ist der Druckanschluss axial innen zwischen dem Phasensteller und der Nockenwelle angeordnet. Die Zuführung des Druckmittels zu den Arbeitsanschlüssen erfolgt abhängig von der Axialposition des Ventilkolbens auf zwei unterschiedlichen Wegen. Während das Druckmittel von dem Druckanschluss über Durchtrittsöffnungen in der Wand des Ventilgehäuses und eine axial relativ breite Außennut des Ventilkolbens zu dem axial innen liegenden ersten Arbeitsanschluss gelangt, wird das Druckmittel von dem Druckanschluss über ringförmig angeordnete Eintrittsbohrungen und axial beabstandet davon angeordnete Austrittsbohrungen über den Innenraum des Ventilkolbens zu dem axial außen liegenden zweiten Arbeitsanschluß geführt. Die Belüftung der beiden Arbeitsanschlüsse erfolgt abhängig von der Axialposition des Ventilkolbens jeweils über eine axial relativ breite Außennut des Ventilkolbens und Durchtrittsöffnungen in der Wand des Ventilgehäuses in einen axial zwischen den Arbeitsanschlüssen angeordneten Tankanschluss.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, für einen hydraulischen Phasensteller der eingangs genannten Bauart eine Steuerventilanordnung mit besonders kompakten Abmessungen und kurzen hydraulischen Verbindungswegen vorzustellen.
Diese Aufgabe ist durch einen hydraulischen Phasensteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Phasenstellers sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht demnach aus von einem hydraulischen Phasensteller einer Nockenwelle für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, der zwischen einem Antriebsrad und der Nockenwelle angeordnet ist, wobei das Antriebsrad über einen formschlüssigen Steuertrieb mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Triebverbindung steht, mit zwei radial innen angeordneten und axial benachbarten Arbeitsanschlüssen, mit einem zentral in einer zylindrischen Öffnung der Nockenwelle angeordneten Steuerventil, welches ein hohlzylindrisches Ventilgehäuse und einen darin axialbeweglich geführten hohlzylindrischen Ventilkolben aufweist, wobei der Ventilkolben durch einen ansteuerbaren Linearsteller gegen die Rückstellkraft einer Ventilfeder zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition axial verschiebbar ist, wobei in der ersten Endposition der erste Arbeitsanschluss mit einem ein Druckmittel zuführenden Druckanschluss und der zweite Arbeitsanschluss mit einem drucklosen Tankanschluss verbunden ist, und bei dem in der zweiten Endposition der erste Arbeitsanschluss mit dem Tankanschluss und der zweite Arbeitsanschluss mit dem Druckanschluss verbunden ist.
Zur Realisierung einer Steuerventilanordnung mit besonders kompakten Abmessungen und kurzen hydraulischen Verbindungswegen ist bei diesem hydraulischen Phasensteller vorgesehen, dass der Druckanschluss axial zwischen dem Linearsteller und dem Phasensteller angeordnet ist, dass von dem Druckanschluss Druckmittel über erste Durchtrittsöffnungen in der Wand der Nockenwelle und Durchtrittsöffnungen in der Wand des Ventilgehäuses unabhängig von der Axialposition des Ventilkolbens in eine erste radiale Außennut des Ventilkolbens sowie von dort über ringförmig verteilt angeordnete Eintrittsbohrungen im Ventilkolben in den Innenraum des Ventilkolbens führbar ist, dass in der ersten Endposition des Ventilkolbens Druckmittel von dem Innenraum des Ventilkolbens über ringförmig verteilt angeordnete erste Austrittsbohrungen im Ventilkolben und über erste Durchtrittsöffnungen im Ventilgehäuse sowie über zweite Durchtrittsöffnungen in der Wand der Nockenwelle zu dem ersten Arbeitsanschluss führbar ist, dass in der zweiten Endposition des Ventilkolbens Druckmittel von dem Innenraum des Ventilkolbens über ringförmig verteilt angeordnete zweite Austrittsbohrungen im Ventilkolben und über zweite Durchtrittsöffnungen im Ventilgehäuse sowie über vierte Durchtrittsöffnungen in der Wand der Nockenwelle zu dem zweiten Arbeitsanschluss führbar ist, dass der Tankanschluss axial zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen angeordnet ist, und dass zu dem Tankanschluss Druckmittel abhängig von der Axialposition des Ventilkolbens über die zweiten und vierten Durchtrittsöffnungen in der Wand der Nockenwelle, über die Durchtrittsöffnungen in der Wand des Ventilgehäuses sowie über eine zweite radiale Außennut des Ventilkolbens von dem zweiten Arbeitsanschluss oder dem ersten Arbeitsanschluss führbar ist..
Die mittels einer Axialverschiebung des Ventilkolbens schaltbaren Verbindungswege zwischen dem Druckanschluss und dem Tankanschluss sowie den beiden Arbeitsanschlüssen sind somit extrem kurz, wodurch eine sehr gute Steuerdynamik des Phasenstellers erzielt wird. Dies bedeutet, dass eine aufgrund geänderter Betriebsparameter erforderliche Phasenverstellung der Nockenwelle sehr schnell und zuverlässig eingestellt werden kann. Aufgrund der kurzen und innerhalb der Steuerventilanordnung verlaufenden Verbindungswege ergibt sich auch eine vergleichsweise kurze axiale Baulänge des Steuerventils. Zudem ist durch die vorgeschlagene Konstruktion die Gefahr von austretendem Druckmittel und eindringender Luft, durch welche die Funktion des Phasenstellers gestört werden kann, weitgehend ausgeschlossen.
Zur Rückführung des Druckmittels von dem Tankanschluss in einen Sammeltank ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine in dem nockenwellenfesten Abtriebselement des Phasenstellers (Innenrotor) angeordnete Rückflussleitung vorgesehen, die von dem Tankanschluss auf der Antriebsseite der Nockenwelle nach außen führt, zum Beispiel in den mit dem Sammeltank verbundenen Innenraum eines Steuergehäuses.
Alternativ dazu kann zur Rückführung des Druckmittels von dem Tankanschluss in den Sammeltank auch eine in dem nockenwellenfesten Abtriebselement des Phasenstellers (Innenrotor) angeordnete Rückflussleitung vorgesehen sein, die von dem Tankanschluss auf der Nockenseite der Nockenwelle nach außen führt, zum Beispiel in den mit dem Sammeltank verbundenen Innenraum des Kurbelgehäuses des Verbrennungsmotors.
Um das Eindringen von Schmutzpartikeln in das Steuerventil zu vermeiden, ist im Zulauf von dem Druckanschluss in das Steuerventil vorzugsweise ein Filterelement vorgesehen, das favorisiert als ein Ringfilter ausgebildet und in einer ringförmigen Außennut des Ventilgehäuses angeordnet ist. Bei einem Ringfilter handelt es sich um ein zylindrisches Filterelement, das radial durchströmt wird. Durch die Anordnung in der Außennut des Ventilgehäuses ist das Filterelement vormontierbar und kann somit ein Bestandteil einer das Ventilgehäuse und den Ventilkolben umfassenden Ventilpatrone sein.
Um von dem Phasensteller im Betrieb ausgehende Druckspitzen, die von auf die Nockenwelle wirksame Drehmomentschwankungen des Ventiltriebs verursacht werden, von der Druckleitung beziehungsweise von der Druckversorgungseinrichtung und damit auch von anderen Druckmittelverbrauchern fern zu halten, ist zwischen den Eintrittsbohrungen und den Austrittsbohrungen des Ventilkolbens vorzugsweise ein Rückschlagventil angeordnet. Dieses Rückschlagventil ist bevorzugt als ein Bandventil ausgebildet, welches von radial innen an den Eintrittsbohrungen des Ventilkolbens anliegt. Bei einem Bandventil handelt es sich um ein überlappend spiralförmig eingerolltes Band aus einem federelastischen Material, das wenig Bauraum erfordert und in den Innenraum des Ventilkolbens eingesetzt werden kann.
Die Ventilfeder des Steuerventils ist bevorzugt als eine Schraubenfeder ausgebildet, welche axial innen zwischen einer Bodenwand des Ventilkolbens und einem in eine innere Ringnut des Ventilgehäuses eingesetzten Federteller angeordnet. Somit kann auch die Ventilfeder vormontiert werden und bildet dann zusammen mit dem Federteller einen Bestandteil der bereist genannten Ventilpatrone. Nachteilig kann jedoch die dadurch bedingte größere axiale Baulänge des Steuerventils beziehungsweise der Ventilpatrone sein.
Um eine besonders kurze axiale Baulänge des Steuerventils beziehungsweise der Ventilpatrone zu erzielen, kann daher alternativ zu der vorgenannten technischen Lösung vorgesehen sein, dass die Ventilfeder des Steuerventils als eine Schraubenfeder ausgebildet, welche axial innen zwischen einer Bodenwand des Ventilkolbens und einem Absatz einer inneren axialen Zentralbohrung der Nockenwelle angeordnet ist.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. In dieser Zeichnung zeigt
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen hydraulischen Phasenstellers einer Nockenwelle in einem Längsschnitt,
2 das in einer ersten Funktionsstellung befindliche Steuerventil des hydraulischen Phasenstellers gemäß 1 in einem Längsschnitt,
3 das in einer zweiten Funktionsstellung befindliche Steuerventil des hydraulischen Phasenstellers gemäß 1 in einem Längsschnitt, und
4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen hydraulischen Phasenstellers einer Nockenwelle in einem Längsschnitt.
In 1 ist eine erste Anordnung 1.1 eines hydraulischen Phasenstellers 3 einer Nockenwelle 2 für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors dargestellt, die den Phasensteller 3 selbst, ein zugeordnetes Steuerventil 4 und einen ansteuerbaren Linearsteller 5 des Steuerventils 4 umfasst. Der Phasensteller 3 ist zwischen einem Antriebsrad 6, das über einen nicht dargestellten formschlüssigen Steuertrieb, zum Beispiel einen Zahnriementrieb, mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Triebverbindung steht, und der Nockenwelle 2 angeordnet.
Der Phasensteller 3 ist als ein Flügelzellenversteller ausgebildet, der einen einstückig mit dem Antriebsrad 6 verbundenen Außenrotor 7 und einen drehfest sowie axial unverschiebbar mit der Nockenwelle verbundenen Innenrotor 8 aufweist. Der Innenrotor 8 weist mehrere über seinen Außenumfang verteilt angeordnete radial ausgerichtete Flügel auf, die in nach radial innen offene Kammern des Außenrotors 7 eingreifen und diese jeweils in erste und zweite Druckräume unterteilen. Die ersten Druckräume stehen über in dem Innenrotor 8 angeordnete erste Kanäle mit einem radial innenliegenden ersten Arbeitsanschluss A in Verbindung. Die zweiten Druckräume stehen über in dem Innenrotor 8 angeordnete zweite Kanäle mit einem radial innenliegenden und zu dem ersten Arbeitsanschluss A axial benachbarten zweiten Arbeitsanschluss B in Verbindung. Der innere Aufbau des Phasenstellers 3 ist wegen der gewählten Schnittebene in 1 nicht vollständig erkennbar, dem Fachmann jedoch aus den einleitend erwähnten Druckschriften allgemein bekannt.
Durch die Verbindung des ersten Arbeitsanschlusses A mit einem über eine Druckleitung mit einer Druckquelle verbundenen Druckanschluss P und die gleichzeitige Verbindung des zweiten Arbeitsanschlusses B mit einem über eine drucklose Rückflussleitung mit einem Sammeltank verbundenen Tankanschluss T wird Druckmittel in die ersten Druckräume gefördert sowie mittels der Flügel Druckmittel aus den zweiten Druckräumen verdrängt. Dies entspricht beispielsweise einer Verstellung des Innenrotors 8 und der mit diesem verbundenen Nockenwelle 2 gegenüber dem Außenrotor 7 und dem mit diesem verbundenem Antriebsrad 6 des Steuertriebs in Richtung früh. Entsprechend führt die Verbindung des zweiten Arbeitsanschlusses B mit dem Druckanschluss P und die gleichzeitige Verbindung des ersten Arbeitsanschlusses A mit dem Tankanschluss T zu einer Verstellung der Nockenwelle 2 gegenüber dem Antriebsrad 6 des Steuertriebs in Richtung spät.
Das Steuerventil 4 ist koaxial innerhalb des Phasenstellers 3 in einer zylindrischen Öffnung 9 der Nockenwelle 2 angeordnet. Es weist ein hohlzylindrisches Ventilgehäuse 10 sowie einen darin axialbeweglich geführten hohlzylindrischen Ventilkolben 13 auf. Das Ventilgehäuse 10 ist über ein Außengewinde 11 mit der Nockenwelle 2 verbunden und über einen äußeren Radialsteg 12 gegenüber dieser axial justiert. Der Ventilkolben 13 ist durch den Linearsteller 5 gegen die Rückstellkraft einer Ventilfeder 15 zwischen zwei axialen Endpositionen axial verschiebbar. Der Linearsteller 5 ist vorliegend als ein Elektromagnet ausgebildet, dessen Anker über einen Betätigungsstößel 14 mit dem Ventilkolben 13 in Verbindung steht.
In einer ersten Funktionsstellung des Steuerventils 4, in der das Steuerventil 4 in 2 abgebildet ist und sich der Ventilkolben 13 in der ersten axialen Endposition befindet, ist der erste Arbeitsanschluss A mit dem Druckanschluss P und der zweite Arbeitsanschluss B mit dem Tankanschluss T verbunden. In einer zweiten Funktionsstellung des Steuerventils 4, in der das Steuerventil 4 in 3 abgebildet ist und bei der sich der Ventilkolben 13 in der zweiten axialen Endposition befindet, ist der erste Arbeitsanschluss A mit dem Tankanschluss T und der zweite Arbeitsanschluss B mit dem Druckanschluss P verbunden.
Wie eine Zusammenschau von 1 und 2 zeigt, ist der Druckanschluss P axial zwischen dem Linearsteller 5 und dem Phasensteller 3 angeordnet. Von diesem Druckanschluss P ist Druckmittel über erste Durchströmöffnungen 41 in der Wand der Nockenwelle 2 und über Durchtrittsöffnungen 16 in der Wand des Ventilgehäuses 10 unabhängig von der Axialposition des Ventilkolbens 13 in eine erste radiale Außennut 17 des Ventilkolbens 13 sowie von dort über ringförmig angeordnete Eintrittsbohrungen 18 in der Wand des Ventilkolbens 13 entsprechend dem Strömungspfeil 19 in 2 und 3 in den Innenraum 20 des Ventilkolbens 13 führbar.
Von dem Innenraum 20 des Ventilkolbens 13 ausgehend ist das Druckmittel in der ersten axialen Endposition des Ventilkolbens 13 über ringförmig angeordnete erste Austrittsbohrungen 21 in der Wand des Ventilkolbens 13, über erste Durchtrittsöffnungen 22 in der Wand des Ventilgehäuses 10 sowie über zweite Durchströmöffnungen 42 in der Nockenwelle 2 entsprechend dem Strömungspfeil 23 in 2 zu dem ersten Arbeitsanschluss A leitbar. In der zweiten axialen Endposition des Ventilkolbens 13 ist das Druckmittel ausgehend von dem Innenraum 20 des Ventilkolbens 13 über zu den ersten Austrittsbohrungen 21 beabstandete ringförmig angeordnete zweite Austrittsbohrungen 24 in der Wand des Ventilkolbens 13, über zweiten Durchtrittsöffnungen 25 in der Wand des Ventilgehäuses 10 sowie über vierte Durchströmöffnungen 44 in der Nockenwelle 2 entsprechend dem Strömungspfeil 26 in 3 zu dem zweiten Arbeitsanschluss B führbar.
Der Tankanschluss T ist axial zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen A, B angeordnet. Zum Tankanschluss T ist Druckmittel abhängig von der Axialposition des Ventilkolbens 13 entsprechend dem Strömungspfeil 29 in 2 von dem zweiten Arbeitsanschluss B oder entsprechend dem Strömungspfeil 30 in 3 von dem ersten Arbeitsanschluss A über zweite, dritte und vierte Durchströmöffnungen 42, 43, 44 in der Wand der Nockenwelle 2 und über Durchtrittsöffnungen 22, 25, 28 in der Wand des Ventilgehäuses 10 sowie eine zweite radiale Außennut 27 am Ventilkolben 13 führbar.
Durch die Anordnung des Druckanschlusses P und des Tankanschlusses T sowie die Ausbildung des Steuerventils 4 sind die über die Axialverschiebung des Ventilkolbens 13 schaltbaren Verbindungswege zwischen dem Druckanschluss P und dem Tankanschluss T sowie den beiden Arbeitsanschlüssen A, B extrem kurz, wodurch eine sehr gute Steuerdynamik des Phasenstellers 3 erzielt wird. Aufgrund der kurzen und innerhalb der Steuerventilanordnung verlaufenden Verbindungswege ergibt sich auch eine vergleichsweise kurze axiale Baulänge des Steuerventils 4. Zudem ist dadurch die Gefahr von austretendem Druckmittel und eindringender Luft, durch welche die Funktion des Phasenstellers 3 gestört werden kann, weitgehend ausgeschlossen.
Wie in 1 durch die beiden Strömungspfeile 31, 32 angedeutet ist, kann die Rückführung des Druckmittels von dem Tankanschluss T in einen Sammeltank wahlweise über eine in dem Innenrotor 8 des Phasenstellers 3 angeordnete Rückflussleitung erfolgen, die von dem Tankanschluss T entweder entsprechend dem Strömungspfeil 31 auf der Antriebsseite der Nockenwelle 2 nach außen, zum Beispiel in den mit dem Sammeltank verbundenen Innenraum eines Steuergehäuses, oder entsprechend dem Strömungspfeil 32 auf der Nockenseite der Nockenwelle 2 nach außen, beispielsweise in den mit dem Sammeltank verbundenen Innenraum des Kurbelgehäuses des Verbrennungsmotors, führt.
In den 2 und 3 ist besonders gut erkennbar, dass im Zulauf von dem Druckanschluss P in das Steuerventil 4 ein als ein Ringfilter ausgebildetes Filterelement 33 angeordnet ist, das in einer ringförmigen Außennut 34 im Ventilgehäuse 10 angeordnet ist. Mittels des Filterelements 33 wird ein Eindringen von Schmutzpartikeln in das Steuerventil 4 verhindert.
In den 2 und 3 ist ebenfalls gut erkennbar, dass im Innenraum 20 des Ventilkolbens 13 ein Rückschlagventil 35 angeordnet ist, das als ein Bandventil ausgebildet ist, welches von radial innen an den Eintrittsbohrungen 18 des Ventilkolbens 13 anliegt, und welches über einen rinnenförmigen Stützbalken 36 axial fixiert ist. Durch das Rückschlagventil 35 werden von dem Phasensteller 3 ausgehende Druckspitzen im Druckmittel, welche von auf die Nockenwelle 2 wirksame Drehmomentschwankungen des Ventiltriebs verursacht werden, von der Druckleitung beziehungsweise von der Druckversorgungseinrichtung und damit auch von anderen Druckmittelverbrauchern ferngehalten.
In der in den 1 bis 3 dargestellten Anordnung 1.1 des Phasenstellers 3 beziehungsweise des Steuerventils 4 ist die koaxial angeordnete Ventilfeder 15 als eine Schraubenfeder ausgebildet, welche axial innen zwischen einer radialen Bodenwand 37 des Ventilkolbens 13 und einem in eine radial innere Ringnut des Ventilgehäuses 10 eingesetzten Federteller 38 angeordnet ist. Diese Abstützung der Ventilfeder 15 hat den Vorteil, dass die Ventilfeder 15 zusammen mit dem Federteller 38 in dem Ventilgehäuse 10 vormontierbar ist und Bestandteil einer das Ventilgehäuse 10 und den Ventilkolben 13 aufweisenden Ventilpatrone sein kann. Nachteilig kann jedoch eine dadurch bedingte größere axiale Baulänge des Steuerventils 4 sein.
Bei der in 4 abgebildeten Anordnung 1.2 des Steuerventils 4 ist die Ventilfeder 15 zwar ebenfalls als eine Schraubenfeder ausgebildet, im Unterschied zu der Anordnung 1.1 gemäß den 1 bis 3 nun jedoch axial innen zwischen der endseitigen Bodenwand 37 des Ventilkolbens 13 und einem sacklochförmigen Absatz 40 einer radial inneren Zentralbohrung 39 der Nockenwelle 2’ angeordnet. Das in die axiale Öffnung 9’ der Nockenwelle 2’ eingesetzte Ventilgehäuse 10’ weist bei dieser Ausführungsform daher auch keine endseitige Ringnut zur Aufnahme eines Federtellers 38 auf, denn dieser wird hier nicht benötigt. Dem Vorteil einer kürzeren axialen Baulänge des Steuerventils 4 steht bei dieser Ausführungsform der Nachteil eines erhöhten Fertigungsaufwands für die Zentralbohrung 39 gegenüber.
Bezugszeichenliste

1.1, 1.2: Anordnung
2, 2’: Nockenwelle
3: Phasensteller, Flügelzellenversteller
4: Steuerventil
5: Linearsteller, Elektromagnet
6: Antriebsrad
7: Außenrotor
8: Abtriebselement, Innenrotor
9, 9’: Öffnung in der Nockenwelle
10, 10’: Ventilgehäuse
11: Außengewinde am Ventilgehäuse
12: Radialsteg am Ventilgehäuse
13: Ventilkolben
14: Betätigungsstößel
15: Ventilfeder, Schraubenfeder
16: Durchtrittsöffnungen im Ventilgehäuse
17: Erste radiale Außennut im Ventilkolben
18: Eintrittsbohrungen im Ventilkolben
19: Strömungspfeil
20: Innenraum des Ventilkolbens
21: Erste Austrittsbohrungen im Ventilkolben
22: Durchtrittsöffnungen im Ventilgehäuse
23: Strömungspfeil
24: Zweite Austrittsbohrungen im Ventilkolben
25: Durchtrittsöffnungen im Ventilgehäuse
26: Strömungspfeil
27: Zweite radiale Außennut im Ventilkolben
28: Durchtrittsöffnungen im Ventilgehäuse
29: Strömungspfeil
30: Strömungspfeil
31: Strömungspfeil
32: Strömungspfeil
33: Filterelement, Ringfilter
34: Ringförmige Außennut im Ventilgehäuse
35: Rückschlagventil, Bandventil
36: Stützbalken des Rückschlagventils
37: Bodenwand des Ventilkolbens
38: Federteller
39: Zentralbohrung in der Nockenwelle
40: Absatz an der Nockenwelle
41: Erste Durchströmöffnungen in der Nockenwelle am Druckanschluss P
42: Zweite Durchströmöffnungen in der Nockenwelle am ersten Arbeitsanschluss A
43: Dritte Durchströmöffnungen in der Nockenwelle am Tankanschluss T
44: Vierte Durchströmöffnungen in der Nockenwelle am zweiten Arbeitsanschluss B
A: Erster Arbeitsanschluss
B: Zweiter Arbeitsanschluss
P: Druckanschluss
T: Tankanschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1596040 B1 [0008]
EP 1596041 A2 [0009]
DE 102004025215 A1 [0010]

Claims

Hydraulischer Phasensteller (3) einer Nockenwelle für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, der zwischen einem Antriebsrad (6) und der Nockenwelle (2, 2’) angeordnet ist, wobei das Antriebsrad (6) über einen formschlüssigen Steuertrieb mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Triebverbindung steht, mit zwei radial innen angeordneten und axial benachbarten Arbeitsanschlüssen (A, B), mit einem zentral in einer zylindrischen Öffnung (9, 9’) der Nockenwelle (2) angeordneten Steuerventil (4), welches ein hohlzylindrisches Ventilgehäuse (10, 10’) und einen darin axialbeweglich geführten hohlzylindrischen Ventilkolben (13) aufweist, wobei der Ventilkolben (13) durch einen ansteuerbaren Linearsteller (5) gegen die Rückstellkraft einer Ventilfeder (15) zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition axial verschiebbar ist, wobei in der ersten Endposition der erste Arbeitsanschluss (A) mit einem ein Druckmittel zuführenden Druckanschluss (P) und der zweite Arbeitsanschluss (B) mit einem drucklosen Tankanschluss (T) verbunden ist, und bei dem in der zweiten Endposition der erste Arbeitsanschluss (A) mit dem Tankanschluss (T) und der zweite Arbeitsanschluss (B) mit dem Druckanschluss (P) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckanschluss (P) axial zwischen dem Linearsteller (5) und dem Phasensteller (3) angeordnet ist, dass von dem Druckanschluss (P) Druckmittel über erste Durchtrittsöffnungen (41) in der Wand der Nockenwelle (2) und Durchtrittsöffnungen (16) in der Wand des Ventilgehäuses (10, 10’) unabhängig von der Axialposition des Ventilkolbens (13) in eine erste radiale Außennut (17) des Ventilkolbens (13) sowie von dort über ringförmig verteilt angeordnete Eintrittsbohrungen (18) im Ventilkolben (13) in den Innenraum (20) des Ventilkolbens (13) führbar ist, dass in der ersten Endposition des Ventilkolbens (13) Druckmittel von dem Innenraum (20) des Ventilkolbens (13) über ringförmig verteilt angeordnete erste Austrittsbohrungen (21) im Ventilkolben (13) und über erste Durchtrittsöffnungen (22) im Ventilgehäuse (10, 10’) sowie über zweite Durchtrittsöffnungen (42) in der Wand der Nockenwelle (2) zu dem ersten Arbeitsanschluss (A) führbar ist, dass in der zweiten Endposition des Ventilkolbens (13) Druckmittel von dem Innenraum (20) des Ventilkolbens (13) über ringförmig verteilt angeordnete zweite Austrittsbohrungen (24) im Ventilkolben (13) und über zweite Durchtrittsöffnungen (25) im Ventilgehäuse (10, 10’) sowie über vierte Durchtrittsöffnungen (44) in der Wand der Nockenwelle (2) zu dem zweiten Arbeitsanschluss (B) führbar ist, dass der Tankanschluss (T) axial zwischen den beiden Arbeitsanschlüssen (A, B) angeordnet ist, und dass zu dem Tankanschluss (T) Druckmittel abhängig von der Axialposition des Ventilkolbens (13) über die zweiten und vierten Durchtrittsöffnungen (42, 44) in der Wand der Nockenwelle (2), über die Durchtrittsöffnungen (22, 25) in der Wand des Ventilgehäuses (10, 10’) sowie über eine zweite radiale Außennut (27) des Ventilkolbens (13) von dem zweiten Arbeitsanschluss (B) oder dem ersten Arbeitsanschluss (A) führbar ist.
Hydraulischer Phasensteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nockenwellenfesten Abtriebselement (8) des Phasenstellers (3) eine Rückflussleitung angeordnet ist, die von dem Tankanschluss (T) auf der Antriebsseite der Nockenwelle (2, 2’) nach außen führt (Strömungspfeil 31).
Hydraulischer Phasensteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem nockenwellenfesten Abtriebselement (8) des Phasenstellers (3) eine Rückflussleitung angeordnet ist, die von dem Tankanschluss (T) auf der Nockenseite der Nockenwelle (2, 2’) nach außen führt (Strömungspfeil 32).
Hydraulischer Phasensteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Zulauf von dem Druckanschluss (P) in das Steuerventil (4) ein Filterelement (33) angeordnet ist, das als ein Ringfilter ausgebildet und in einer ringförmigen Außennut (34) des Ventilgehäuses (10, 10’) angeordnet ist.
Hydraulischer Phasensteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Eintrittsbohrungen (18) und den Austrittsbohrungen (21, 24) des Ventilkolbens (13) ein Rückschlagventil (35) angeordnet ist, das als ein Bandventil ausgebildet ist und von radial innen an den Eintrittsbohrungen (18) anliegt.
Hydraulischer Phasensteller nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilfeder (15) des Steuerventils (4) als eine Schraubenfeder ausgebildet ist, welche axial zwischen einer Bodenwand (37) des Ventilkolbens (13) und einem in eine innere Ringnut des Ventilgehäuses (10) eingesetzten Federteller (38) angeordnet ist.
Hydraulischer Phasensteller nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilfeder (15) des Steuerventils (4) als eine Schraubenfeder ist, welche axial zwischen einer Bodenwand (37) des Ventilkolbens (13) und einem Absatz (40) einer inneren axialen Zentralbohrung (39) der Nockenwelle (2’) angeordnet ist.