DE10352362A1

DE10352362A1 - Nockenwellenversteller mit Doppelfreilauf

Info

Publication number: DE10352362A1
Application number: DE2003152362
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Schäfer; Werner Dipl.-Ing. Hoyer
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-11-10
Filing date: 2003-11-10
Publication date: 2005-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller (2) zum Verstellen und Halten der Drehwinkellage einer Nockenwelle (8) gegenüber der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, mit einem in beide Verstellrichtungen wirkenden Doppelfreilauf (1), der zumindest zwei gegeneinander angefederte Klemmkörper aufweist, die zwischen einem Außenring (13) eines Antriebsrads (3) und mit der Nockenwelle (8) drehfest verbundenen Klemmflächen angeordnet sind und die im geregelten Betrieb beide Drehrichtungen sperren, während im Verstellbetrieb der die gewünschte Verstellung der Nockenwelle (8) sperrende Klemmkörper durch ein mit einem Verstellelement verbundenes Schaltelement vor der Verstellung entsperrbar ist. DOLLAR A Ein universell verwendbarer Doppelfreilauf wird dadurch geschaffen, dass der Doppelfreilauf (1) als getrennte Freilaufstufe ausgebildet und mit beliebigen Nockenwellenverstellern (2) kombinierbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller zum Verstellen und Halten der Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, mit einem in beide Verstellrichtungen wirkenden Doppelfreilauf, insbesondere nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Die von der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetriebene Nockenwelle soll aus verbrennungstechnischen Gründen im Motorbetrieb bei ihrer Drehung phasenweise beschleunigt oder verzögert werden, um eine der Rotation überlagerte relative Verdrehung zu erzeugen. Diese Relativverdrehung wird in der Regel durch einen Nockenwellenversteller erzeugt. Als störende Einflussparameter auf die Verstellbewegung erweisen sich dabei die aus dem Kurbeltrieb sowie aus dem Nockenwellentrieb resultierenden, überlagerten hochfrequenten Drehschwingungen kleiner Amplitude (1° bis 3°). Ursache dieser stark ungleichförmigen Drehschwingungen sind bei der Kurbelwelle die bei der Ver- Verbrennung im Zylinder des Verbrennungsmotors auftretenden hohen, zeitlich instationären und über die Zylinderzahl versetzten Gaskräfte und bei der Nockenwelle das periodische Öffnen und Schließen der Gaswechselventile. Die durch die dynamischen Kurbelwellen- und Nockenwellenmomente ausgelösten Drehschwingungen führen abwechselnd zu einer beschleunigten und einer verzögerten Verstellbewegung der Nockenwelle. Insbesondere im leerlaufnahen Betriebsbereich mit seinen niedrigen Motoröldrücken kann die Vor- und Rückbewegung der Nockenwelle den gleichen Betrag aufweisen, so dass der Nockenwellenversteller in seiner Position verharrt und somit keine Nockenwellenverstellung mehr möglich ist.

In der DE 198 46 354 A1 ist ein Nockenwellenversteller mit einem in beide Verstellrichtungen wirkenden Doppelfreilauf offenbart, der zumindest zwei, gegeneinander angefederte Klemmkörper aufweist, die zwischen einem Außenring eines Antriebsrads und mit der Nockenwelle drehfest verbundenen Klemmflächen angeordnet sind, die im geregelten Betrieb beide Drehrichtungen sperren, während im Verstellbetrieb der die gewünschte Verstellung der Nockenwelle sperrende Klemmkörper durch ein mit einem Verstellelement verbundenes Schaltelement vor der Verstellung entsperrt wird.

Dieser Nockenwellenversteller ist zwar funktionssicher, hat aber den Nachteil, auf einen hydraulischen Antrieb festgelegt zu sein.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen möglichst universell verwendbaren, funktionssicheren und kostengünstigen Doppelfreilauf für Nockenwellenversteller jeglicher Bauart zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Da der Doppelfreilauf, der üblicherweise im Nockenwellenversteller integriert ist, als getrennte Freilaufstufe ausgebildet ist, kann er mit beliebigen Nockenwellenverstellern kombiniert werden. So ist ein Nockenwellenversteller mit einer Antriebsstufe bestehend aus einem Elektro-, Hydro- oder Pneumatikmotor und mit einer der heute bekannten Getriebestufen denkbar.

Durch den in beide Drehrichtungen gleichzeitig sperrbaren Doppelfreilauf wird eine Relativverdrehung von Kurbel- und Nockenwelle aufgrund der Drehschwingungsanregung beider vermieden. Dadurch verhält sich ein Nockenwellenversteller mit dem Doppelfreilauf wie ein verstellerloser Antrieb der Nockenwelle.

Dadurch, dass der Doppelfreilauf eine Verstellung nur in der freigegebenen Drehrichtung erlaubt und die Gegendrehrichtung sperrt, wird der Betriebsbereich eines Nockenwellenverstellers mit Hydromotor hin zu geringeren Öldrücken, d. h. zu höheren und tieferen Öltemperaturen als heute möglich, erweitert.

Eine Verriegelung des Rotors eines Hydromotors beim Auslaufen oder Anlassen des Verbrennungsmotors wegen des dann herrschenden geringen Öldrucks und der damit verbundenen Geräuschentwicklung erübrigt sich, da der Doppelfreilauf den Rotor in beide Drehrichtungen sperrt.

Der Doppelfreilauf führt bei Hydromotoren auch zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Nockenwellenverstellers, da dieser zum Halten der geregelten Position dank Doppelfreilauf keinen Öldruck benötigt und somit mangels Leckölverlusten keine hydraulische Verlustleistung verursacht.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, dass der Doppelfreilauf vorzugsweise vier Klemmkörperpaare aufweist, deren Klemmflächen einen Klemmstern bilden, der als quadratisches Polygon mit Einbuchtungen zwischen den Polygonecken ausgebildet ist.

Die vier Klemmkörperpaare bewirken eine geringe Belastung der einzelnen Klemmkörper und deren Klemmflächen. Die Einbuchtungen der Klemmflächen bewirken eine rasche Entsperrung der Klemmkörper, da sich nach kurzem Schaltweg für diese ein Radialspiel einstellt.

Von Vorteil für eine kostengünstige Fertigung ist, dass die Verstellelemente als Mitnahmefinger und die Schaltelemente als Schaltfinger ausgebildet sind, die zusammen einen vorzugsweise einteiligen Schaltstern bilden. Dieser lässt sich durch Pendelpressen herstellen.

Für die Funktion und die Fertigung des Doppelfreilaufs ist es vorteilhaft, dass die Mitnahmefinger in ringabschnittförmige Fenster des Klemmsterns und die Schaltfinger in den Raum zwischen dem Außenring des Antriebsrads, dem Klemmstern und den Klemmkörperpaaren einragen und dass die Mitnahmefinger und die Schaltfinger Radial- und Tangentialspiel aufweisen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass zwischen tangentialen Anlageflächen der Mitnahmefinger und entsprechenden Druckflächen der ringabschnittförmigen Fenster gleiche Mitnahmefedern angeordnet sind. Letztere dienen nach Abschluss der Drehwinkelverstellung der Rückführung der Mitnahme- und Schaltfinger in deren Mittelstellung, wo der Doppelfreilauf wieder die doppelseitige Sperrung erreicht. Die Rückführung in die Mittelstellung setzt voraus, dass die Federkraft der Mitnahmefedern größer als der Reibwiderstand des Nockenwellenverstellers ist.

Von Vorteil ist auch, dass die Klemmkörper als Klemmrollen ausgebildet sind, und Klemmrollenpaare sich bei Regelbetrieb durch die Federkraft der zwischen deren Klemmrollen angeordneten Klemmrollenfedern in Sperrstellung befinden. Die als Klemmrollen ausgebildeten Klemmkörper besitzen eine höhere Belastbarkeit als z. B. Klemmkugeln.

Dadurch, dass die Schaltfinger Kontaktflächen zu den Klemmrollen aufweisen, die der Kontur der Klemmrollen angepasst sind, ist die Belastung und damit der Verschleiß der Kontaktflächen minimal.

Für eine sichere Entsperrung der Klemmrollen ist es notwendig, dass der tangentiale Freigang der Mitnahmefinger größer als der tangentiale Freigang der Schaltfinger ist. Auf diese Weise werden die zu entsperrenden Klemmrollen eine solche Strecke in Richtung Einbuchtungen bewegt, dass diese zwar sicher entsperren, die Klemmrollenfedern jedoch nicht auf Block gedrückt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist. Dabei zeigen:
1 einen Längsschnitt B-B der 2 durch einen erfindungsgemäßen Doppelfreilauf;
2 einen Querschnitt A-A der 1 durch obigen Doppelfreilauf in Mittelstellung von Schalt- und Mitnahmefingern;
3 den Querschnitt von 2, jedoch mit Schalt- und Mitnahmefinger in Verstellposition.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist ein Längsschnitt B-B der 2 durch einen Doppelfreilauf 1 dargestellt. Der dazugehörende, getrennt angeordnete Nockenwellenversteller 2 ist nur angedeutet, da er nicht Gegenstand der Erfindung ist. Er kann von einem Elektro-, Hydro- oder Pneumatikmotor angetrieben und mit einem der üblichen Verstellgetriebe ausgerüstet sein. Der Doppelfreilauf 1 besteht aus einem Antriebsrad 3, einem Klemmstern 4, einem Schaltstern 5 und Klemmrollen 6.
Der Klemmstern 4 ist mittels einer Zentralschraube 7 mit einer Nockenwelle 8 verdrehfest verbunden, die in einem Nockenwellenlager 9 gelagert ist. Auf einer Zentrierbüchse 10 des Klemmsterns 4 befindet sich ein Lager 11 des Antriebsrads 3 und ein Lager 12 des Schaltsterns 5.
Das Antriebsrad 3 ist mit einem Außenring 13 einteilig ausgebildet. Zwischen dessen Innenseite 14 und einer Außenseite 15 des Klemmsterns 4 sind die Klemmrollen 6 im gesperrten Zustand eingeklemmt.
Der Schaltstern 5, der von dem nicht dargestellten Nockenwellenversteller 2 angetrieben wird, weist einteilig mit ihm ausgebildete Mitnahmefinger 16 und Schaltfinger 17 auf. Die Mitnahmefinger 16 ragen in ringabschnittförmige Fenster 18 des Klemmsterns 4, die Schaltfinger 17 in Zwischenräume 19 zwischen den Klemmrollenpaaren 20 ein (siehe 2).
2 zeigt einen Querschnitt A-A der 1 durch den Doppelfreilauf 1 in Mittelstellung der Schalt- und Mitnahmefinger 17, 16, wie sie im Regelbetrieb des Nockenwellenverstellers vorliegt. Deutlich erkennbar ist, dass der Klemmstern 4 als quadratisches Polygon mit Einbuchtungen 21 zwischen dessen Polygonecken 22 ausgebildet ist. Erkennbar sind auch die ringabschnittförmigen Fenster 18 für die Mitnahmefinger 16. Zwischen den tangentialen Anlageflächen 23 der Mitnahmefinger 16 und den dazugehörigen Druckflächen 24 der ringabschnittförmigen Fenster 18 sind gleich ausgebildete Mitnahmefedern 25 angeordnet, die die Mitnahme- und Schaltfinger 16, 17 in Mittellage halten bzw. diese nach einer Drehwinkelverstellung zurück in die Mittellage führen. Dazu muss die Kraft der Mitnahmefedern 25 das Reibmoment des Nockenwellenverstellers übersteigen. Zur Reduzierung dieses Reibmoments können auch Wälzlager zwischen dem nockenwellenfesten Klemmstern 4 und dem Antriebsrad 3 sowie den Schaltstern 5 verwendet werden.
Die Klemmrollen 6 der Klemmrollenpaare 20 gelangen durch zwischen den Klemmrollen 6 angeordnete Klemmrollenfedern 27 beide in Sperrstellung. Sie sind dann zwischen der Innenseite 14 des Außenrings 13 und der Außenseite 15 des Klemmsterns 4 geklemmt und verbinden das Antriebsrad 3 starr mit dem Klemmstern 4 und der Nockenwelle 8.
Die Schaltfinger 17 weisen Kontaktflächen 26 zu den Klemmrollen 6 auf, die der Kontur der Klemmrollen 6 angepasst sind. Dadurch bleiben Belastung und Verschleiß der Kontaktflächen 26 gering.
In 3 ist ein Querschnitt des Doppelfreilaufs 1 dargestellt, bei dem sich die Mitnahme- und Schaltfinger 16, 17 in Verstellposition befinden. Dabei liegen die Mitnahmefinger 16 mit ihren tangentialen Anlageflächen 23 an den Druckflächen 24 der ringausschnittförmigen Fenster 18 und die Schaltfinger 17 mit ihren Kontaktflächen 26 an den entsperrten Klemmrollen 6 an. Diese Position wird aus der Sperrstellung dadurch erreicht, dass jeweils eine der beiden Klemmrollen 6 der Klemmrollenpaare 20 durch die Schaltfinger 17 entsperrt werden, indem diese die Klemmrollen 6 in Richtung Einbuchtungen 21 am Umfang des Klemmsterns 4 bewegen. Der tangentiale Freigang der Schaltfinger 17 ist durch den tangentialen Freigang der Mitnahmefinger 16 so festgelegt, dass die betroffenen Klemmrollen 6 sicher entsperrt und die zwischen den Klemmrollen 6 jedes Klemmrollenpaares 20 angeordneten Klemmrollenfedern 27 nicht auf Block gedrückt werden können.
Die Funktion des erfindungsgemäßen Doppelfreilaufs 1 wird nachfolgend anhand zweier Betriebszustände erläutert:
Erster Betriebszustand:
Leistungsfluss von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle 8
Der Doppelfreilauf 1 weist vier Klemmrollenpaare auf, bei denen jeweils zwei Klemmrollen 6 gegeneinander angefedert sind. In diesem Betriebszustand ist der Klemmstern 4 mit dem Außenring 13 und dem damit einteilig ausgebildeten Antriebsrad 3 drehstarr verbunden.
Das Antriebsdrehmoment der Kurbelwelle wird auf diese Weise über die Klemmrollen 6 und den Klemmstern 4 auf die Nockenwelle 8 übertragen. Der Verstellantrieb (z. B. ein Elektromotor mit oder ohne Getriebe, oder ein Pneumatik- bzw. ein Hydraulikantrieb mit oder ohne Getriebe) befindet sich in Ruhe, das heißt, das Antriebselement des Nockenwellenverstellers 2 dreht mit Nockenwellendrehzahl, so dass auf den Klemmstern 4 kein oder nur ein geringeres Moment als zur Entsperrung notwendig ausgeübt wird. Da der Klemmstern 4 fest mit der Nockenwelle 8 verbunden ist, führt dieser auch während der Dre hung der Nockenwelle 8 Winkelbewegungen mit geringer Amplitude aus. Die Mitnahmefedern 25 gewährleisten ein Mitnehmen des Schaltsterns 5 und des daran befestigten Verstellantriebs, ohne dass die Klemmrollen 6 entsperrt werden.
Zweiter Betriebszustand:
Leistungsfluss von dem Verstellantrieb auf die Nockenwelle 8
Für diesen Betriebszustand wird, wie in 3 dargestellt, vom Verstellantrieb ein Drehmoment in einer der beiden Drehrichtungen aufgebracht. Dadurch kommen die Schaltfinger 17 des Schaltsterns 5 in Berührung mit jeweils vier Klemmrollen 6 und bewegen diese in die Einbuchtungen 21 des Klemmsterns 4, so dass der Doppelfreilauf 1 in eine Drehrichtung entsperrt wird. Dadurch wird eine Halbwelle der Nockenwellenschwingung in Freilaufrichtung freigeschaltet, so dass daraus eine zusätzliche und erwünschte Relativbewegung der Nockenwelle 8 relativ zur Kurbelwelle erfolgt und dadurch die Verstellgeschwindigkeit erhöht wird. Die Nockenwelle 8 wird also auch mit dem Nockenwellenmoment verstellt und die Schaltfingern 17 folgen unverzüglich der Drehbewegung. Die unerwünschte Rückbewegung der Nockenwelle 8 relativ zur Kurbelwelle wird durch die anderen vier Klemmrollen 6 unterbunden, die dann einrollen und sperren. Ein nicht dargestellter mechanischer Anschlag in Antrieb, Getriebe oder Freilaufstufe sorgt für eine Begrenzung des Verstellwinkels auf einen gewünschten Wert.
Da der Doppelfreilauf in Regelstellung eines Drehfixierung in beide Drehrichtungen bewirkt, kann der sonst übliche Fixierpin entfallen, ohne Geräusche beim Auslaufen oder Anlassen des Verbrennungsmotors in Kauf nehmen zu müssen.

1: Doppelfreilauf
2: Nockenwellenversteller
3: Antriebsrad
4: Klemmstern
5: Schaltstern
6: Klemmrolle
7: Zentralschraube
8: Nockenwelle
9: Nockenwellenlager
10: Zentrierbüchse
11: Lager
12: Lager
13: Außenring
14: Innenseite
15: Außenseite
16: Mitnahmefinger
17: Schaltfinger
18: ringabschnittförmiges Fenster
19: Zwischenraum
20: Klemmrollenpaar
21: Einbuchtung
22: Polygonecke
23: tangentiale Anlagefläche
24: Druckfläche
25: Mitnahmefeder
26: Kontaktfläche
27: Klemmrollenfeder

Claims

Nockenwellenversteller (2) zum Verstellen und Halten der Drehwinkellage einer Nockenwelle (8) gegenüber der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, mit einem in beide Verstellrichtungen wirkenden Doppelfreilauf (1), der zumindest zwei, gegeneinander angefederte Klemmkörper aufweist, die zwischen einem Außenring (13) eines Antriebsrads (3) und mit der Nockenwelle (8) drehfest verbundenen Klemmflächen angeordnet sind und die im geregelten Betrieb beide Drehrichtungen sperren, während im Verstellbetrieb der die gewünschte Verstellung der Nockenwelle sperrende Klemmkörper durch ein mit einem Verstellelement verbundenes Schaltelement vor der Verstellung entsperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelfreilauf (1) als getrennte Freilaufstufe ausgebildet und mit beliebigen Nockenwellenverstellern (2) kombinierbar ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelfreilauf (1) vorzugsweise vier Klemmkörperpaare aufweist, deren Klemmflächen einen Klemmstern (4) bilden, der als quadratisches Polygon mit Einbuchtungen (21) zwischen den Polygonecken (22) ausgebildet ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellelemente als Mitnahmefinger (16) und die Schaltelemente als Schaltfinger (17) ausgebildet sind, die zusammen einen vorzugsweise einteiligen Schaltstern (4) bilden.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmefinger (16) in ringabschnittförmige Fenster (18) des Klemmsterns (4) und die Schaltfinger (17) in den Raum zwischen dem Außenring (13) des Antriebsrads (3), dem Klemmstern (4) und den Klemmkörperpaaren (20) hineinragen.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmefinger (16) und die Schaltfinger (17) Radial- und Tangentialspiel aufweisen.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen tangentialen Anlageflächen (23) der Mitnahmefinger (16) und entsprechenden Druckflächen (24) der ringabschnittförmigen Fenster (18) gleiche Mitnahmefedern (25) angeordnet sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahme- und Schaltfinger (16, 17) durch die Mitnahmefedern (25), deren Federkraft größer als der Reibwiderstand des Nockenwellenverstellers (2) ist, nach der Drehwinkelverstellung zurück in die Mittelstellung gelangen.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper als Klemmrollen (6) ausgebildet sind und Klemmrollenpaare (20) sich bei Regelbetrieb durch die Federkraft der zwischen deren Klemmrollen (6) angeordneten Klemmrollenfedern (27) in Sperrstellung befinden.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfinger (17) Kontaktflächen (26) zu den Klemmrollen (6) aufweisen, die der Kontur der Klemmrollen (6) angepasst sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der tangentiale Freigang der Mitnahmefinger (16) größer als der tangentiale Freigang der Schaltfinger (17) ist.