DE4301647A1 - Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Brennkraftmaschinen-Nockenwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Winkelver­ stellung einer Brennkraftmaschinen-Nockenwelle gegenüber einem Antriebsrad, das mit der Nockenwelle über eine durch ein Stellglied axial verschiebbare, zumindest eine Schrägverzahnungs-Paarung aufweisende Zahnwelle verbunden ist. Derartige Verstellvorrichtungen sind in mannigfachen Ausführungsformen bekannt, beispielshalber sei hierzu auf die DE 41 10 088 C1 verwiesen.

Als Stellglieder zum Längsverschieben der Zahnwelle kom­ men zumeist hydraulische Systeme zum Einsatz. Diese hydraulischen Systeme erfordern jedoch aufgrund der un­ vermeidlichen Leckagen im Ölkreislauf eine ständige Nach­ regelung und verbrauchen somit auch dann Antriebsenergie, wenn keine Verstellung der Nockenwelle gefordert wird. Bekannt geworden sind darüber hinaus auch elektrische Stellmotoren als Stellglieder, so beispielsweise aus der DE 41 01 676 A1, die jedoch aufgrund der erforderlichen Antriebsleistung unverhältnismäßig groß und schwer sein müssen und daher einen relativ hohen Aufwand bedeuten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein demgegenüber ver­ bessertes Stellglied für die axial verschiebbare Zahn­ welle, die aber die Schrägverzahnungs-Paarung eine Win­ kelverstellung zwischen der Nockenwelle sowie dein Nocken­ wellen-Antriebsrad hervorruft, aufzuzeigen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß das Stell­ glied als eine in einer starr mit der Brennkraftmaschine verbundenen Gewindehülse geführte Gewindespindel ausge­ bildet ist, die über eine schaltbare Kupplung mit einem endlosen Zugmittelgetriebe der Brennkraftmaschine ver­ bindbar ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß erhält das die Axialverschiebung der Zahnwelle auslösende Stellglied die hierfür erforderliche Energie im wesentlichen ohne verlustbehaftete Energieum­ wandlung direkt von der Brennkraftmaschine, d. h. das Stellglied wird direkt von einem ohnehin bereits vorhan­ denen Zugmittelgetriebe der Brennkraftmaschine angetrie­ ben. Die Umsetzung der Rotationsenergie des endlosen Zug­ mittelgetriebes in eine Axialkraft zum Verschieben der Zahnwelle erfolgt dabei über die Gewindespindel, die in einer Gewindehülse, die beispielsweise am Steuerkasten­ deckel der Brennkraftmaschine angebracht sein kann, ge­ führt ist. Vorgesehen ist eine schaltbare Kupplung, die aufgrund der einfachen Bauweise in einer bevorzugten Aus­ führungsform als Magnetkupplung ausgebildet sein kann, um die Gewindespindel in das endlose Zugmittelgetriebe ein­ zubinden. Übertragen wird somit letztendlich die Drehbe­ wegung der Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle mittels der Magnetkupplung auf das Verstellsystem. Ein an sich be­ kanntes Regelsystem aktiviert dann die Kupplung bzw. Magnetkupplung, wenn der gewünschte Phasenwinkel der Nockenwelle nicht dem Sollwert entspricht.

Da es erforderlich ist, die Gewindespindel axial in zwei einander entgegengesetzte Richtungen zu verschieben bzw. hierzu in die beiden entgegengesetzten Drehrichtungen ro­ tieren zu lassen, um sowohl eine Vergrößerung als auch eine Verringerung des Phasenwinkels der Brennkraftmaschi­ nen-Nockenwelle gegenüber der Brennkraftmaschinen-Kurbel­ welle erzielen zu können, sind bevorzugt zwei gegensinnig umlaufende endlose Zugmittelgetriebe vorgesehen, in die die Gewindespindel über beispielsweise jeweils eine eigene schaltbare Kupplung wahlweise einbindbar ist. Soll somit der Phasenwinkel beispielsweise vergrößert werden, so wird durch Aktivierung der ersten Kupplung die Gewin­ despindel mit dem ersten Zugmittelgetriebe bzw. Riemen­ trieb verbunden; bei einer gewünschten Verringerung des Phasenwinkels wird eine zweite Magnetkupplung geschlos­ sen, die die Gewindespindel dann mit einem zweiten, ge­ gensinnig umlaufenden Zugmittelgetriebe verbindet. Selbstverständlich können in Abhängigkeit von der Anord­ nung der beiden endlosen Zugmittelgetriebe die beiden zu betätigenden Kupplungen in einer gemeinsamen Baueinheit zusammengefaßt sein. Dabei können die endlosen Zugmittel­ getriebe von der Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle direkt angetrieben sein, wobei selbstverständlich zur Erzielung der Gegensinnigkeit eine geeignete Zwischenwelle bzw. ein geeigneter Zwischentrieb vorgesehen sein muß. Es ist aber auch möglich, den Antrieb der Gewindespindel vom Ketten­ trieb oder Zahnriementrieb des Nockenwellen-Antriebsrades abzugreifen. Dies bietet sich insbesondere bei Brenn­ kraftmaschinen mit zwei bereits gegensinnig rotierenden Nockenwellen an, da dann bereits zwei gegensinnig rotie­ rende endlose Zugmittelgetriebe vorhanden sind. Insgesamt treten die Vorteile einer erfindungsgemäßen Verstellvor­ richtung bei einer Brennkraftmaschine mit zwei Nockenwel­ len besonders deutlich hervor, da dann für jede dieser Nockenwellen eines dieser besonders einfach bauenden Stellglieder vorgesehen werden kann, wobei das bzw. die Zugmittelgetriebe jeweils nur in einfacher Ausfertigung benötigt werden. Zum Ausgleich von Längen- und/oder Win­ keltoleranzen kann ferner zwischen der Gewindespindel so­ wie der bzw. den Magnetkupplung(en) ein Ausgleichselement vorgesehen sein, das in einer einfachen Ausführungsform als geringfügig längsverschiebbare Gelenkwelle ausgebil­ det ist.

Zwei Prinzipskizzen zeigen ein bevorzugtes Ausführungs­ beispiel der Erfindung. In Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung mit einer Brennkraftmaschinen-Nockenwelle prinzipiell dargestellt, Fig. 2 zeigt eine Frontansicht auf die erforderlichen endlosen Zugmittelgetriebe einer Brennkraftmaschine mit zwei erfindungsgemäß verstellbaren Nockenwellen.

Mit der Bezugsziffer 1 ist eine Nockenwelle einer Brenn­ kraftmaschine bezeichnet. In einer stirnseitigen Ausspa­ rung 2 der Nockenwelle 1 ist eine Zahnwelle 3 gemäß Pfeilrichtung 4 axial verschiebbar geführt. Zwischen der Zahnwelle 3 sowie der Nockenwelle 1 ist eine Schrägver­ zahnungs-Paarung 5 vorgesehen, so daß mit einer reinen Axialverschiebung der Zahnwelle 3 gemäß Pfeilrichtung 4 die in axialer Richtung fixierte Nockenwelle 1 um ihre Längsachse 6 verdreht wird. Über eine Geradverzahnungs­ paarung 7 ist die Zahnwelle 3 ferner mit einem Antriebs­ rad 8 verbunden, so daß es möglich ist, mittels dieses Antriebsrades 8 die Zahnwelle 3 sowie die Nockenwelle 1 in eine Drehbewegung um die Längsachse 6 zu versetzen und dabei weiterhin wie bereits geschildert die Zahnwelle 3 gemäß Pfeilrichtung 4 verschieben zu können, um hierdurch eine Phasenverschiebung bzw. eine Änderung des Phasenwin­ kels zwischen der Nockenwelle 1 sowie dem Antriebsrad 8 zu erzeugen.

In Richtung der Längsachse 6, d. h. gemäß Pfeilrichtung 4 verschoben werden kann die Zahnwelle 3 mittels einer Ge­ windespindel 10, die einer Gewindehülse 11 geführt ist. Die Gewindehülse 11 ist starr mit der nicht gezeigten Brennkraftmaschine verbunden, so beispielsweise im eben­ falls lediglich prinzipiell dargestellten Steuerkasten­ deckel 12 angebracht. Mit der Zahnwelle 3 ist die Gewin­ despindel 10 über ein lediglich abstrakt dargestelltes Axiallagerpaket 13 verbunden, welches eine Längsverschie­ bung der Gewindespindel 10 gemäß Pfeilrichtung 4 direkt auf die Zahnwelle 3 überträgt, jedoch eine Rotation der Zahnwelle 3 um die Längsachse 6 ermöglicht, ohne daß da­ bei ebenfalls die Gewindespindel 10 in eine Drehbewegung um ihre Längsachse versetzt wird. Näher dargestellt ist dieses Axiallagerpaket 13 beispielsweise in der bereits eingangs genannten DE 41 10 088 C1.

Vorgesehen sind ferner zwei Magnetkupplungen 14a, 14b, über die die Gewindespindel 10 wahlweise in eines der beiden endlosen Zugmittelgetriebe 15a, 15b der Brenn­ kraftmaschine einbindbar sind. In Fig. 1 ist jeweils ein Abschnitt dieser endlosen Zugmittelgetriebe bzw. Riemen 15a, 15b dargestellt, ferner ist neben diesen Riemen ein Pfeil dargestellt, der den Umlaufsinn bzw. die Bewegungs­ richtung des Zugmittelgetriebes/Riemens zeigt. Wie er­ sichtlich, sind die beiden endlosen Zugmittelgetriebe 15a, 15b gegenläufig. Wird somit die Magnetkupplung 14a geschlossen, so wird die Gewindespindel in einem ersten Drehsinn in Rotation versetzt, so daß die Gewindespindel 10 durch Zusammenwirken mit der Gewindehülse 11 in Fig. 1 beispielsweise nach rechts verschoben werde, womit über das Axiallagerpaket 13 auch die Zahnwelle 3 entsprechend verschoben wird. Selbstverständlich muß hierzu die Magnetkupplung 14a und auch 14b so gestaltet sein, daß eine Drehbewegungsmitnahme der Gewindespindel 10 bei de­ ren gleichzeitiger Längsverschiebung möglich ist. Wird danach die Magnetkupplung 14a gelöst, so bleibt die Gewindespindel unbewegt, so daß keine Veränderung ein­ tritt. Ein Schließen der Magnetkupplung 14b hingegen ver­ setzt die Gewindespindel 10 in eine gegensinnige Rota­ tion, so daß nunmehr unter Zusammenwirken mit der Gewin­ dehülse 11 eine Verschiebebewegung nach links erfolgt. Durch entsprechende Ansteuerung der Magnetkupplungen 14a, 14b ist es somit möglich, die Gewindespindel 10 und damit auch die Zahnwelle 3 wie gewünscht zu positionieren, so daß aufgrund der bereits beschriebenen Zusammenhänge hiermit zwischen der Nockenwelle 1 sowie dem Antriebsrad 8 ein gewünschter Phasenwinkel eingestellt werden kann. Dabei ist als weiteres Bauteil zwischen der Magnetkupp­ lung 14b sowie dem in der Gewindehülse 11 geführten Teil der Gewindespindel 10 eine Gelenkwelle 18 angeordnet. Diese lediglich prinzipiell dargestellte Gelenkwelle 18 ermöglicht einen geringfügigen Toleranzausgleich.

Fig. 2 zeigt eine Stirnansicht auf die Brennkraftmaschine mit zwei erfindungsgemäßen Winkelverstellvorrichtungen, wobei jedoch lediglich die beiden endlosen Zugmittelge­ triebe 15a, 15b mit ihren Zusatzelementen dargestellt sind. Mit der Bezugsziffer 16 ist die Längsachse der Brennkraftmaschinen-Kurbelwelle bezeichnet, um diese Längsachse 16 rotiert somit das Kurbelwellenrad 17. Die Brennkraftmaschine besitzt zwei Nockenwellen, von denen eine den Einlaßventilen und die andere den Auslaßventilen zugeordnet ist. Die Längsachse der ersten Nockenwelle trägt die Bezugsziffer 6, die Längsachse der zweiten Nockenwelle die Bezugsziffer 6′. Konzentrisch zu den Nockenwellen-Längsachsen 6, 6′ sind Umlenkrollen für end­ lose Zugmittelgetriebe angeordnet, wobei diese Umlenkrol­ len mit den bereits erläuterten Magnetkupplungen 14a, 14b für die erste sowie 14a′, 14b′ für die zweite Nockenwelle eine Baueinheit bilden und daher mit den gleichen Bezugs­ ziffern bezeichnet sind. Die Umlenkrol­ len/Magnetkupplungen 14a, 14a′ sind Bestandteil des er­ sten endlosen Zugmittelgetriebes 15a, das - wie ersicht­ lich - auch über das Kurbelwellenrad 17 geführt ist. Be­ standteil dieses Zugmittelgetriebes 15a ist ferner ein Zwischenrad 18, welches zugleich Bestandteil des zweiten Zugmittelgetriebes 15b ist, so daß dieses zweite Zugmit­ telgetriebe 15b über das erste Zugmittelgetriebe 15a an­ getrieben wird. Wie ersichtlich führt dieses zweite Zug­ mittelgetriebe 15b über die zweiten Umlenkrol­ len/Magnetkupplungen 14b, 14b′, wobei aufgrund der ge­ zeigten Führung dieser beiden Zugmittelgetriebe 15a, 15b über das gemeinsame Zwischenrad 18 die Umlenkrol­ len/Magnetkupplungen 14, 14b bzw. 14a′, 14b′ jeweils im entgegengesetzten Drehsinn rotieren. Wie bereits im Zu­ sammenhang mit Fig. 1 erläutert, kann durch Schließen einer der Magnetkupplungen 14a oder 14b bzw. 14a′ oder 14b′ die jeweils zugehörige Gewindespindel 10 verschoben werden, so daß der Phasenwinkel der jeweiligen Nocken­ welle (Einlaßventil-Nockenwelle oder Auslaßventil-Nocken­ welle) verändert werden kann.

Die beschriebene Vorrichtung zur Winkelverstellung zumin­ dest einer Brennkraftmaschinen-Nockenwelle verbraucht ge­ genüber den bekannten hydraulischen oder elektromotori­ schen Verstellsystemen weniger Energie und spart damit auch Kraftstoff gegenüber den konventionellen Verstellan­ trieben. Aufgrund der Übersetzung durch die Gewindespin­ del 10 ist auch der Verstellweg wesentlich größer als bei konventionellen Systemen, so daß eine genauere Positio­ nierung der Nockenwelle 1 bzw. eine genauere Einstellung des gewünschten Phasenwinkels der Nockenwelle 1 gegenüber dem Antriebsrad 8 möglich ist. Vorteilhafterweise ist die Verstellgeschwindigkeit systembedingt proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine und bleibt somit bezogen auf ein einzelnes Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine konstant. Auch dieser an sich vorteilhafte Zusammenhang ist bei konventionellen Verstellsystemen (hydraulisch oder elektromotorisch) nicht gegeben. Ferner ist die Ver­ stellgeschwindigkeit auch weitgehend unabhängig von den vorliegenden Temperaturverhältnissen, was bei hydrauli­ schen Verstellsystemen nicht der Fall ist. Selbstver­ ständlich können anstelle der Magnetkupplungen 14a, 14b auch andere Kupplungen, wie beispielsweise Lamellenkupp­ lungen, elektrisch rheologische Kupplungen oder hydrauli­ sche Kupplungen eingesetzt werden. Dies sowie weitere Merkmale insbesondere konstruktiver Art können durchaus anderweitig gestaltet sein, ohne den Inhalt der Pa­ tentansprüche zu verlassen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Brennkraft­ maschinen-Nockenwelle (1) gegenüber einem Antriebs­ rad (8), das mit der Nockenwelle (1) über eine durch ein Stellglied axial verschiebbare, zumindest eine Schrägverzahnungs-Paarung (5) aufweisende Zahnwelle (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied als eine in einer starr mit der Brennkraftmaschine verbun­ denen Gewindehülse (11) geführte Gewindespindel (10) ausgebildet ist, die über eine schaltbare Kupplung (14a, 14b) mit einem endlosen Zugmittelgetriebe (15a, 15b) der Brennkraftmaschine verbindbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegensinnig umlau­ fende endlose Zugmittelgetriebe (15a, 15b) vorgese­ hen sind, in die die Gewindespindel (10) über die schaltbare Kupplung (14a, 14b) wahlweise einbindbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Kupp­ lung(en) als Magnetkupplung(en) (14a, 14b, 14a′, 14b′) ausgebildet ist/sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gewinde­ spindel (10) und der Kupplung ein Längenaus­ gleichselement und/oder Winkelausgleichselement (Gelenkwelle 18) vorgesehen ist.

5. Brennkraftmaschine mit zumindest zwei Nockenwellen sowie diesen zugeordneten Winkelverstellvorrichtun­ gen nach einem der vorangegangenen Ansprüche.