EP0254058A2 - Nockenwelle zum Steuern der Gasein- und Auslassventile von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Nockenwelle zum Steuern der Gasein- und Auslassventile von Verbrennungsmotoren Download PDF

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EP0254058A2
EP0254058A2 EP87109060A EP87109060A EP0254058A2 EP 0254058 A2 EP0254058 A2 EP 0254058A2 EP 87109060 A EP87109060 A EP 87109060A EP 87109060 A EP87109060 A EP 87109060A EP 0254058 A2 EP0254058 A2 EP 0254058A2
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EP
European Patent Office
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adjusting device
shaft
outer shaft
disk
guide
Prior art date
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EP87109060A
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English (en)
French (fr)
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EP0254058B1 (de
EP0254058A3 (en
Inventor
Hans-Peter Günzrodt
Gerhard Graf
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Sueddeutsche Kolbenbolzenfabrik GmbH
Original Assignee
Sueddeutsche Kolbenbolzenfabrik GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/34413—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using composite camshafts, e.g. with cams being able to move relative to the camshaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • F01L2001/0471—Assembled camshafts
    • F01L2001/0473—Composite camshafts, e.g. with cams or cam sleeve being able to move relative to the inner camshaft or a cam adjusting rod

Definitions

  • the invention relates to an adjusting device for a camshaft for controlling the gas intake and exhaust valves of internal combustion engines with variable control times for opening and closing the valves.
  • a positionally adjustable camshaft is known from the publication entitled “Variable valve control from Fiat” by Andrea Titolo in the magazine MTZ 47 (1986) No. 5, pages 185-188, with which the timing for opening and closing the valves can be changed are.
  • the control times are changed by axial displacement, whereby the individual control cams must have a conical outer jacket.
  • sliding pieces designed as rockers must be used between the tappet and control cams. The use of such sliders results in a complicated and wear-prone connection between the control cam and valve tappet.
  • the axial displacement of the camshaft requires a complicated adjustment mechanism.
  • the object of the invention is to change the control times of the gas inlet and outlet valves by a different design to achieve a camshaft also provided with a different adjustment mechanism.
  • the angular position of the control cams controlling the exhaust valves on the one hand and the intake valves on the other hand can be changed in a simple manner relative to one another.
  • the change can be achieved on the one hand by the fact that the angular position can be set to different values when the motor is at rest, or by the fact that the adjusting device is part of a control circuit by which the angular position between the control cams which are movable relative to one another depends on the prevailing motor operating data certain specifiable values is regulated.
  • the camshaft consists of a hollow outer shaft 1 and a hollow inner shaft 3 mounted therein via bearings 2.
  • Control cams 5 for either the intake or exhaust valves are shrunk on the outer shaft 1.
  • the control cams 4 for the intake and exhaust valves, which are not actuated by the control cams 5, are rotatably mounted on the outer shaft 1 and are fixedly connected to the inner shaft 3 via a pin 7 projecting through a slot 6 in the outer shaft.
  • Radial bores 8 and 9 are provided in the outer shaft 1 for lubricating the bearings 2 in the annular space between the outer shaft 1 and the inner shaft 3.
  • the bores 9 each lie in areas in which the camshaft is supported via the outer shaft 1 on the internal combustion engine, of which it is a component, and serve to admit lubricating oil into the annular space. Through the holes 8, which are outside the bearing areas, the lubricating oil can leave the annular space again.
  • an adjusting device 10 is provided with which the outer and inner shafts 1, 3 can be rotated relative to one another.
  • the adjustment device is constructed as follows:
  • a flange 11 is firmly attached to the end of the outer shaft.
  • the inner shaft 3 projects beyond the end of the outer shaft and the flange 11 connected to it.
  • a disc 12 which is axially spaced from the flange 11.
  • An externally toothed gear 13 is rotatably mounted on the inner shaft between the flange 11 and the disk 12.
  • the camshaft is driven by the crankshaft by means of a toothed belt.
  • three slots 14 are provided in the same circumference on the same circumference. Through these slots 14 engage bolts 15 through which the flange 11 and the washer 12 are non-rotatably connected.
  • the gear 13 serves as a planet carrier for planet gears 16 of a planetary gear.
  • the planet gears 16, which are mounted on bearing journals 17 in the gear 13, are located axially between the gear 13 and the disk 12.
  • the planet gears 16 are driven by a sun gear 18, which is fixedly connected to the inner shaft 3.
  • Radially on the outside, the planetary gears 16 mesh in a ring gear 19 fixedly connected to the disk 12.
  • the flange 11, the gear 13 and the disk 12 can be non-positively connected to the ring 20 via a nut 20 engaging the end of the inner shaft 3. Given by the tightened nut 20 a positive connection of the aforementioned parts, the toothed belt coming from the crankshaft drives the camshaft via the gearwheel 13, specifically the outer and inner shafts 1, 3 with a rigid connection to one another.
  • the adjusting device 10 is as follows to operate.
  • the nut 20 is loosened when the inner shaft 3 is also locked in the circumferential direction, so that the non-positive connection between the disk 12 with the ring gear 19, the gear 13 and the flange 11 is canceled.
  • the inner shaft 3 With the circumferential position of the gear 13 still locked, the inner shaft 3 is rotated. In order to be able to turn or lock the inner shaft 3 in the circumferential direction, it is provided at its end with a gripping cam 21 for attaching a tool key.
  • the sun gear 18, which is fixedly connected to the inner shaft 3 causes the planetary gears 16 to rotate, which in turn, via the ring gear 19, rotate the disk 12, which is firmly connected to the ring gear 19.
  • the flange 11 fixedly attached to the outer shaft 1 is non-rotatably connected. The outer shaft is thus rotated to the same extent as the disk 12.
  • the choice of the transmission ratio in the planetary gear can determine to what extent the outer shaft is rotated in the opposite direction when the inner shaft is rotated in one direction.
  • the gear ratio can be set so that the inner and outer shafts 3, 1 are adjusted by the same angle of rotation in opposite directions. After mutual twisting of the inside and outside shaft 3, 1, the nut 20 is again tightened with the locked inner shaft 3 and locked gear 13 to produce a non-positive connection between the parts 11, 13 and 12.
  • the inner shaft 3 is secured against sliding into the outer shaft 1 via an annular disk 22 screwed to it.
  • an electric stepper motor 23 is flanged to the disk 12.
  • the output shaft 24 of this stepper motor is rigidly connected to the inner shaft 3 of the camshaft. If the angular position between the control cams 4 and 5 is to remain unchanged during motor operation, the stepper motor is controlled electrically so that it alternately exerts control pulses which rotate in opposite directions on the inner shaft 3, with the result that, with a sufficiently high pulse frequency, practically a rigid connection between the outer and inner shaft 1, 3 is given.
  • the stepper motor 23 only has to be controlled so that the output shaft 24 is rotated.
  • the planetary gear which corresponds to that of the adjusting device according to FIGS. 1 and 2, can be used to determine the extent to which the control cams 4, 5 are rotated relative to one another by the fixed transmission ratio.
  • the translation ver Ratio in particular be chosen such that both types of control cams are adjusted by the same amount in opposite directions.
  • the control current for the stepper motor is fed to it via sliding contacts.
  • the stepper motor can be controlled via parameters dependent on specific motor operating states, as a result of which certain angular positions of the control cams 4, 5 can be set or regulated in relation to specific motor operating conditions.
  • a change in the angular position of the control cams 4, 5 depending on the engine operation is also possible with the adjusting devices to be described below.
  • a hydraulic motor 25 fixedly attached to the internal combustion engine is used.
  • a bolt 27 is rotatably axially fixed.
  • This bolt 27 projects axially into the inner shaft 3, the inner shaft 3 and the bolt 27 being rotatable and displaceable relative to one another.
  • the bolt 27 is at the same time in a flange 28 fixedly connected to the disk 12 stores in which it is longitudinally displaceable but not rotatable.
  • the bolt 27 is secured against rotation by a tongue and groove connection 29 between the bolt 27 and the flange 28.
  • a spindle groove 30 is formed in the bolt 27, into which a ball 31 which is fixedly mounted in the inner shaft 3 engages.
  • a compression spring 32 engages, which loads the punch 26 in the direction away from the flange 28.
  • the inner shaft 3 is rotated via the ball 31 sliding in the spindle groove 30.
  • the same angular position adjustment of the control cams 4, 5 can be achieved with the hydraulic motor 25 during motor operation as with the stepper motor 23 in the adjusting device according to FIG. 5.
  • the same control pulses can be supplied to the hydraulic motor 25 as the stepper motor.
  • the change in the angular position between the control cams 4, 5 is also adjustable during engine operation as a function of the engine operating data.
  • this embodiment does not use a planetary gear.
  • the adjustment device according to FIG. 7 is constructed in detail as follows.
  • a flange 11 is fixedly mounted on the outer shaft 1.
  • a disk 12 is rigidly connected to the inner shaft 3 at an axial distance from the flange 11.
  • the rigid connection of the disk 12 to the inner shaft 3 takes place via a shaft stub 33 fixedly mounted on the end of the inner shaft 3.
  • a guide disk 34 is rotatably mounted on the stub shaft 33 and can be rotated against the flange 11 and the disk 12.
  • An externally toothed gear 35 is fastened to the guide disk 34 by means of screws 36.
  • guide pieces 37 arranged in a radially movable manner are used in the guide disk 34.
  • These guide pieces 37 are cylindrical bodies which can be displaced in a radial bore 38.
  • the bores 38 are closed radially on the outside. Radially on the inside, the bores 38 can be acted upon by hydraulic oil, which enters the bores 38 from a pressure source via a ring connection 39 fixedly mounted on the internal combustion engine through the stub shaft 33, which is rotatably supported in the ring connection 39.
  • the guide slots 41, 42 must be in one direction run, which lies between a diametrical alignment on the one hand and an alignment in the circumferential direction on the other. This is the only way to rotate the flange 11 or the disk 12 in which they are arranged. If both shafts are not to be rotated at the same time, but rather only one shaft or one shaft is to be adjusted first and the other only subsequently, the guide slot in the flange 11 or the disk 12, in particular in the disk 12, can also be at least partially aligned diametrically.
  • the gear 35 by means of which the camshaft is driven by the crankshaft with the aid of a timing belt, transmits the driving forces to the flange 11 and the disk 12 via the driving pins 40. Since the camshaft is supported by the outer shaft 1, it must be carried out on the flange 11 attacking driving pins 40 are transmitted a greater driving torque than by engaging in the disc 12 Driving pins 40. The radial position which the guide pieces 37 assume from the radial inside due to the driving pins 40 and the hydraulic loading is thus determined by the guidance of the driving pin 40 in the flange 11.
  • a force plan entered in FIG. 8 with regard to the transmission of force in the guide slot 41 clearly shows the restoring force acting radially inwards on the guide pieces 37.
  • F U represents the circumferential force emanating from the driver on the flange 11.
  • this circumferential force is divided into two components, namely a normal force F N acting on the slot path and a force F S acting in the longitudinal direction of the slot.
  • the force F S causes the guide piece 37 to move radially inward in the direction of rotation of the flange 12 shown in FIG. 8 when there is no hydraulic counterforce. In this consideration, it has initially been disregarded that a centrifugal force counter to the force F S also acts on the guide pieces 37.
  • Frictional forces between the driver and the guideway have also been disregarded. If these opposing forces are taken into account, in order to ensure a radially inward movement of the guide pieces, only the force F S has to be greater than the counter forces mentioned, which is regularly the case in practice for camshafts for internal combustion engines.
  • Fig. 9 shows the arrangement of the guide slot 42 in the disc 12. Taking into account the direction of rotation of the disc 12 shown in Fig. 9, it can be seen that the guide slot 42 with respect to the direction of rotation of the camshaft has an opposite inclination with respect to the guide slot 41.
  • control cams 4 and 5 are rotated by the same amount in opposite directions.
  • the course and the interdependency of the timing of the cams 4 and 5 can be varied as desired by different positions and shapes of the guide slots.
  • the hydraulic pressure for adjusting and controlling the guide body 37 is determined by a processor on the basis of measured engine operating data.
  • the processor emits a proportional current via a power unit, which is used to control an adjustable pressure relief valve with the aid of a proportional magnet.
  • the pressure released by the pressure limiting valve on the hydraulic fluid then acts on the guide pieces 37.
  • the hydraulic fluid passes through an annular channel 44 in a cap 45 attached to the stub shaft 33, a blind hole 46 in the stub shaft 33, a through hole 47 also in the stub shaft 33, a further ring channel 48 and an inlet hole 49 leading into the hole 38.

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Abstract

Um bei einem Verbrennungsmotor die Steuerzeiten für das Öffnen und Schließen der Gasein- und Auslaßventile verändern zu können, ist die die Ventile steuernde Nockenwelle aus zwei gegeneinander beweglichen Baugruppen aufgebaut. Eine erste an dem Verbrennungsmotor gelagerte Baugruppe besteht aus einer hohlen Außenwelle (1) mit einer ersten Hälfte fest daran angebrachter Steuernocken (5) für nur die Gasein- oder nur die Auslaßventile. Die zweite Baugruppe ist eine konzentrisch in der außenwelle (1) gelagerte Innenwelle (3), an der über durch radiale Schlitze in der Außenwelle (1) hindurchragende Stifte (7) die zweite Hälfte der Steuernocken (4) befestigt ist. Auf der Außenwelle (1) sind die fest mit der Innenwelle (3) verbundenen Steuernocken (4) drehbar gelagert. Durch eine in das Antriebsrad (Zahnrad 13) integrierte Verstelleinrichtung (10) ist die Winkellage zwischen den beiden Hälften der Steuernocken (4, 5) über einen vorgebbaren Bereich stufenlos verstellbar. Die Verstelleinrichtung (10) kann hydraulisch oder durch einen elektrischen Schrittmotor betätigt werden. Die Steuersignale für die Verstelleinrichtung (10) werden aus ausgewählten Motorbetriebsdaten und zwar insbesondere dem Luftansaugmengenstrom abgeleitet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für eine Nockenwelle zum Steuern der Gasein- und Außlaß­ventile von Verbrennungsmotoren mit veränderbaren Steuerzeiten für das Öffnen und Schließen der Ventile.
  • Aus der Veröffentlichung mit dem Titel die "Variable Ventilsteuerung von Fiat" von Andrea Titolo in der Zeitschrift MTZ 47 (1986) Heft 5, Seiten 185 - 188 ist eine lagemäßig verstellbare Nockenwelle bekannt, mit der die Steuerzeiten für das Öffnen und Schließen der Ventile veränderbar sind. Bei dieser Nockenwelle werden die Steuerzeiten durch ein axiales Verschieben verändert, wobei die einzelnen Steuernocken einen konischen Außenmantel besitzen müssen. Um die Steuer­kräfte von diesen konischen Steuernocken auf die Ventilstößel übertragen zu können, müssen zwischen Stößel und Steuernocken als Wippen ausgebildete Gleitstücke eingesetzt werden. Gerade durch die Ver­wendung derartiger Gleitstücke ergibt sich eine komplizierte und verschleißanfällige Verbindung zwischen Steuernocken und Ventilstößel. Außerdem er­fordert die axiale Verschiebbarkeit der Nockenwelle einen komplizierten Verstellmechanismus.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu­grunde, die Veränderung der Steuerzeiten der Gasein- und Auslaßventile durch eine andersartig aufgebaute mit einem ebenfalls andersartigen Verstellmechanismus versehene Nockenwelle zu erreichen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine nach den kenn­zeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausge­bildete Nockenwelle.
  • Bei der mit der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung betätigten Nockenwelle wird auf dem Nockenwellenbau­prinzip nach der DE-OS 32 27 693 aufgebaut. In jener Offenlegungsschrift ist bereits eine Nockenwelle be­schrieben, bei der die einzelnen Nocken auf eine fertig bearbeitete Hohlwelle aufgezogen und in einem Schrumpf­sitz gehalten werden.
  • Zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche. Auf diese einzelnen Ausführungsformen wird bei der Beschreibung des Ausführungsbeispieles noch im einzelnen näher eingegangen werden.
  • Gemeinsam ist jedoch allen Ausführungsformen, daß die Winkellage der die Auslaßventile einerseits und die Einlaßventile andererseits steuernden Steuernocken auf einfache Weise zueinander verändert werden kann. Die Veränderung kann zum einen dadurch erreicht werden, daß die Winkellage bei ruhendem Motor auf unter­schiedliche Werte fest eingestellt werden kann oder auch dadurch, daß die Verstelleinrichtung Teil eines Regelkreises ist, durch den die Winkellage zwischen den gegeneinander beweglichen Steuernocken in Ab­hängigkeit der jeweils herrschenden Motorbetriebs­daten auf bestimmte vorgebbare Werte geregelt wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung darge­stellt. Es zeigen
    • Fig. 1 einen Schnitt durch eine Nocken­welle mit einer Verstellein­richtung
    • Fig. 2 einen Schnitt durch die Nocken­welle nach Linie II - II in Fig. 1
    • Fig. 3 einen Schnitt durch die Nocken­welle nach Linie III - III in Fig. 1
    • Fig. 4 einen Schnitt durch die Nocken­welle nach Linie IV - IV in Fig. 1
    • Fig. 5 einen Schnitt durch eine alter­native Verstelleinrichtung
    • Fig. 6 einen Schnitt durch eine weitere Variante einer Verstelleinrichtung
    • Fig. 7 einen Schnitt durch noch eine weitere Ausführungsform der Verstelleinrichtung
    • Fig. 8 eine Ansicht nach Pfeil VIII in Fig. 7 auf nur einen Ausschnitt aus dem mit der äußeren Welle verbundenen Flansch
    • Fig. 9 eine Ansicht nach dem Pfeil IX in Fig. 7 auf einen Ausschnitt nur der mit der inneren Welle verbundenen Scheibe
  • Die Nockenwelle besteht aus einer hohlen Außenwelle 1 und einer darin über Lager 2 gelagerten hohlen Innenwelle 3. Auf der Außenwelle 1 sind Steuernocken 5 für entweder die Ein- oder Auslaßventile fest aufgeschrumpft. Die Steuernocken 4 für die Ein- bzw. Auslaßventile, die nicht von den Steuenocken 5 betätigt werden, sind auf der Außenwelle 1 drehbar gelagert und über einen durch einen Schlitz 6 in der Außenwelle ragenden Stift 7 fest mit der Innenwelle 3 verbunden. Zur Schmierung der Lager 2 im Ringraum zwischen Außenwelle 1 und Innen­welle 3 sind in der Außenwelle 1 radiale Bohrungen 8 und 9 vorgesehen. Die Bohrungen 9 liegen jeweils in Bereichen, in denen die Nockenwelle über die Außen­welle 1 an dem Verbrennungsmotor, von dem sie jeweils ein Bestandteil ist, gelagert ist und dienen dazu, Schmieröl in den Ringraum einzulassen. Durch die Bohrungen 8, die außerhalb der Lagerbereiche liegen, kann das Schmieröl den Ringraum wieder verlassen.
  • An einem Ende der Nockenwelle ist eine Verstellein­richtung 10 vorgesehen, mit der die Außen- und Innen­welle 1, 3 gegeneinander verdrehbar sind.
  • Bei der Ausführung nach den Fig. 1 und 2 ist die Verstelleinrichtung folgendermaßen aufgebaut:
  • Auf das Ende der Außenwelle ist ein Flansch 11 fest aufgebracht. Die Innenwelle 3 ragt über das Ende der Außenwelle und den mit ihr verbundenen Flansch 11 hinaus. Im Endbereich der Innenwelle 3 ist auf diese drehbar eine Scheibe 12 aufgebracht, die axial Abstand gegenüber dem Flansch 11 aufweist. Zwischen dem Flansch 11 und der Scheibe 12 ist auf der Innenwelle ein außen verzahntes Zahnrad 13 drehbar gelagert. Über dieses Zahnrad 13 wird die Nockenwelle mittels eines Zahnriemens von der Kurbelwelle angetrieben. In dem Zahnrad 13 sind auf einem gleichen Kreisumfang drei in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze 14 vorge­sehen. Durch diese Schlitze 14 greifen Bolzen 15, durch die der Flansch 11 und die Scheibe 12 unver­drehbar miteinander verbunden sind. Das Zahnrad 13 dient als Umlaufträger für Planetenzahnräder 16 eines Planetengetriebes. Die an Lagerzapfen 17 in dem Zahn­rad 13 gelagerten Planetenräder 16 befinden sich axial zwischen dem Zahnrad 13 und der Scheibe 12. Die Planetenzahnräder 16 werden von einem Sonnenrad 18 angetrieben, das fest mit der Innenwelle 3 verbunden ist. Radial außen kämmen die Planetenzahnräder 16 in einem fest mit der Scheibe 12 verbundenen Hohlrad 19. Über eine an dem Ende der Innenwelle 3 angreifende Mutter 20 sind der Flansch 11, das Zahnrad 13 und die Scheibe 12 mit dem fest daran angebundenen Hohl­rad 19 kraftschlüssig verbindbar. Bei durch die ange­zogene Mutter 20 gegebener kraftschlüssiger Ver­bindung der vorgenannten Teile treibt der von der Kurbelwelle kommende Zahnriemen die Nockenwelle über das Zahnrad 13 an und zwar die Außen- und Innen­welle 1, 3 mit starrer Verbindung zueinander.
  • Um die fest mit der Außenwelle 1 verbundenen Steuer­nocken 5 in ihrer umfangsmäßigen Winkellage gegenüber den fest auf der Innenwelle 3 gelagerten Steuernocken 4 zu verändern, ist die Einstellvorrichtung 10 wie folgt zu betätigen.
  • Bei in seiner Umfangsstellung arretiertem Zahnrad 13 wird bei in Umfangsrichtung ebenfalls arretierter Stellung der Innenwelle 3 die Mutter 20 gelöst, so daß die kraftschlüssige Verbindung zwischen der Scheibe 12 mit dem Hohlrad 19, dem Zahnrad 13 und dem Flansch 11 aufgehoben ist. Bei weiterhin arretierter Umfangsstellung des Zahnrades 13 wird die Innenwelle 3 verdreht. Um die Innenwelle 3 in Umfangsrichtung ver­drehen bzw. arretieren zu können, ist sie an ihrem Ende mit einem Greifnocken 21 zum Ansetzen eines Werkzeugschlüssels versehen.
  • Durch ein Verdrehen der Innenwelle 3 bei gleichzeitig arretiertem Zahnrad 13 bewirkt das fest mit der Innen­welle 3 verbundene Sonnenrad 18 eine Drehung der Planetenzahnräder 16, die wiederum über das Hohlrad 19 die fest mit dem Hohlrad 19 verbundene Scheibe 12 ver­drehen. Mit der Scheibe 12 ist jedoch wiederum der fest auf die Außenwelle 1 aufgebrachte Flansch 11 unver­drehbar verbunden. Damit wird also die Außenwelle in gleichem Maße verdreht wie die Scheibe 12.
  • Durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses in dem Planetengetriebe läßt sich bestimmen, in welchem Maße bei einer Verdrehung der Innenwelle in eine Richtung die Außenwelle in die entgegengesetzte Richtung verdreht wird. Dabei läßt sich das Über­setzungsverhältnis so einstellen, daß Innen- und Außen­welle 3, 1 um jeweils einen gleichen Drehwinkel in entgegengesetzte Richtungen verstellt wird. Nach er­folgter gegenseitiger Verdrehung von Innen- und Außen­ welle 3, 1 wird die Mutter 20 bei arretierter Innenwelle 3 und arretiertem Zahnrad 13 wieder fest zur Erzeugung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen den Teilen 11, 13 und 12 angezogen.
  • An dem der Verstelleinrichtung 10 entgegengesetzten Ende ist die Innenwelle 3 über eine an ihr ange­schraubte Ringscheibe 22 gegen ein Hineingleiten in die Außenwelle 1 gesichert.
  • Bei einer Ausführungsform der Verstelleinrichtung 10 nach Fig. 5 ist es möglich, die Winkellage der Steuer­nocken 4 und 5 während des Betriebs des Verbrennungs­motors zu verändern. Zu diesem Zweck ist ein elektrischer Schrittmotor 23 an der Scheibe 12 ange­flanscht. Die Abtriebswelle 24 dieses Schritt­motors ist starr mit der Innenwelle 3 der Nockenwelle verbunden. Soll die Winkellage zwischen den Steuer­nocken 4 und 5 während des Motorbetriebes unver­ändert bleiben, so wird der Schrittmotor elektrisch so gesteuert, daß er abwechselnd drehrichtungsmäßig entgegengerichtete Stellimpulse auf die Innenwelle 3 ausübt mit der Folge, daß bei ausreichend hoher Impulsfrequenz praktisch eine starre Verbindung zwischen Außen- und Innenwelle 1, 3 gegeben ist. Zur Winkellageveränderung muß der Schrittmotor 23 lediglich so gesteuert werden, daß eine Verdrehung der Abtriebswelle 24 erfolgt. Durch das Planeten­getriebe, das mit demjenigen der Verstelleinrichtung nach den Fig. 1 und 2 übereinstimmt, kann durch das festgelegte Übersetzungsverhältnis bestimmt werden, in welchem Maße die Steuernocken 4, 5 gegeneinander verdreht werden. Dabei kann das Übersetzungsver­ hältnis insbesondere derart gewählt werden, daß beide Arten von Steuernocken um das gleiche Maß in entgegengesetze Richtungen verstellt werden. Der Steuerstrom für den Schrittmotor wird diesem über Schleifkontakte zugeführt. Der Schrittmotor kann über von bestimmten Motorbetriebszuständen abhängige Kenngrößen gesteuert werden, wodurch zu bestimmten Motorbetriebsverhältnissen bestimmte Winkellagen der Steuernocken 4, 5 einstell- bzw. regelbar sind.
  • Eine motorbetriebsabhängige Veränderung der Winkel­lage der Steuernocken 4, 5 ist auch mit den nach­folgend noch zu beschreibenden Verstelleinrichtungen möglich.
  • Bei der Verstelleinrichtung nach Fig. 6 entspricht der Aufbau mit einem Planetengetriebe demjenigen der Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 sowie 5. Lediglich der Verstellmotor und dessen Anlenkung an die Verstelleinrichtung unterscheidet sich gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 5.
  • Bei der Verstelleinrichtung nach Fig. 6 wird ein ortsfest an dem Verbrennungsmotor angebrachter Hydraulikmotor 25 verwendet. In einem längs der Nockenwellenachse verschiebbaren Stempel 26 des Hydraulikmotors 25 ist ein Bolzen 27 drehbar axial fixiert. Dieser Bolzen 27 ragt axial in die Innen­welle 3 hinein, wobei die Innenwelle 3 und der Bolzen 27 relativ zueinander verdreh- und verschieb­bar sind. Der Bolzen 27 ist gleichzeitig in einem fest mit der Scheibe 12 verbundenen Flansch 28 ge­ lagert, in dem er längsverschiebbar aber nicht drehbar ist. Gegen Verdrehung ist der Bolzen 27 durch eine Nut-Feder-Verbindung 29 zwischen dem Bolzen 27 und dem Flansch 28 gesichert. In dem Bolzen 27 ist eine Spindelnut 30 eingeformt, in die eine ortsfest in der Innenwelle 3 gelagerte Kugel 31 eingreift. Zwischen dem Flansch 28 und dem Stempel 26 greift eine Druckfeder 32 an, die den Stempel 26 in Richtung von dem Flansch 28 entfernt belastet. Bei einer Längsverschiebung des Bolzens 27 wird über die in der Spindelnut 30 gleitende Kugel 31 die Innenwelle 3 verdreht. Damit läßt sich mit dem Hydraulikmotor 25 die gleiche Winkellageverstellung der Steuernocken 4, 5 während des Motorbetriebes erreichen wie mit dem Schrittmotor 23 bei der Ver­stelleinrichtung nach Fig. 5. Insbesondere können dem Hydraulikmotor 25 die gleichen Steuerimpulse zugeführt werden wie dem Schrittmotor.
  • Bei der Verstelleinrichtung nach Fig. 7 ist die Winkellageveränderung zwischen den Steuernocken 4, 5 ebenfalls während des Motorbetriebes in Abhängigkeit der Motorbetriebsdaten verstellbar. Bei dieser Aus­führungsform findet im Gegensatz zu den zuvor be­schriebenen jedoch kein Planetengetriebe Verwendung. Aufgebaut ist die Verstelleinrichtung nach Fig. 7 im einzelnen wie folgt.
  • Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen ist ein Flansch 11 fest an der Außenwelle 1 montiert. Mit der Innenwelle 3 ist in axialem Abstand zu dem Flansch 11 eine Scheibe 12 starr verbunden. Die starre Verbindung der Scheibe 12 mit der Innenwelle 3 erfolgt über einen fest an das Ende der Innenwelle 3 montierten Wellenstumpf 33.Zwischen dem Flansch 11 und der Scheibe 12 ist eine Führungsscheibe 34 drehbar auf dem Wellenstumpf 33 gelagert und zwar verdrehbar gegen den Flansch 11 und die Scheibe 12. An der Führungsscheibe 34 ist ein außen verzahntes Zahnrad 35 über Schrauben 36 befestigt.
  • Um die Außenwelle 1 gegen die Innenwelle 3 verdrehen zu können, ist es notwendig, den Flansch 11 und die Scheibe 12, wobei diese Teile jeweils mit einer der beiden Wellen fest verbunden sind, gegeneinander zu verdrehen. Hierzu dienen in der FÜhrungsscheibe 34 radial beweglich angeordnete Führungsstücke 37. Diese Führungsstücke 37 sind zylindrische in jeweils einer radialen Bohrung 38 verschiebbare Körper. Die Bohrungen 38 sind radial außen verschlossen. Radial innen sind die Bohrungen 38 von Hydrauliköl beaufschlagbar, das von einer Druckquelle über einen fest an dem Verbrennungsmotor montierten Ringanschluß 39 durch den Wellenstumpf 33, der in dem Ringanschluß 39 drehbar gelagert, ist in die Bohrungen 38 gelangt.
  • An den Führungsstücken 37 sind achsparallel zu Nocken­welle verlaufende Mitnehmerstifte angebracht, die in radial in der Führungsscheibe 34 vorgesehenen Schlitzen bewegbar sind und durch diese Schlitze axial aus der Führungsscheibe 34 herausragen. Die axial aus der Führungsscheibe herausragenden Enden der Mitnehmer­stifte 40 ragen auf der einen Seite der Führungsscheibe in je einen Führungsschlitz 41 in dem Flansch 11 und auf der anderen Seite der Führungsscheibe 34 ebenfalls in je einen Führungsschlitz 42 in der Scheibe 12.
  • Die Führungsschlitze 41,42 müssen in einer Richtung verlaufen, die zwischen einer diametralen Ausrichtung einerseits und einer Ausrichtung in Umfangsrichtung andererseits liegt. Nur dadurch ist eine Verdrehung des Flansches 11 oder der Scheibe 12, in der sie ange­ordnet sind,möglich. Sollen nicht beide Wellen gleich­zeitig verdreht werden, sondern nur eine bzw. soll eine Welle zuerst und die andere erst nachfolgend verstellt werden, kann in dem Flansch 11 oder der Scheibe 12, insbesondere in der Scheibe 12, der Führungsschlitz zumindest teilweise auch diametral ausgerichtet sein.
  • Für eine radiale Hin- und Herbewegung der Führungs­stücke im Motorbetrieb reicht eine Beaufschlagung mit Hydraulikflüssigkeit von nur einer Seite aus. Dabei ist es besonders günstig, die Führungskörper von radial innen hydraulisch zu beaufschlagen. Die Gegenbewegung, d.h. die Bewegung nach radial innen, wird durch das Übertragungssystem bei richtig aus­gerichteten Führungsschlitzen 41, 42 selbsttätig erzeugt.
  • Die vorgenannte selbsttätige Rückführung läßt sich wie folgt erklären.
  • Das Zahnrad 35, über das die Nockenwelle mit Hilfe eines Zahriemens von der Kurbelwelle angetrieben wird, überträgt die Antriebskräfte über die Mit­nehmerstifte 40 an den Flansch 11 sowie die Scheibe 12. Da die Nockenwelle über die Außenwelle 1 gelagert ist, muß über die an dem Flansch 11 angreifenden Mit­nehmerstifte 40 ein größeres Antriebsmoment übertragen werden als durch die in die Scheibe 12 eingreifenden Mitnehmerstifte 40. Damit ist die radiale Stellung, die die Führungsstücke 37 durch die Mitnehmerstifte 40 und die Hydraulikbeaufschlagung von radial innen einnimmt, durch die Führung des Mitnehmerstiftes 40 in dem Flansch 11 bestimmt.
  • Ein in Fig. 8 bezüglich der Kraftübertragung in dem Führungsschlitz 41 eingetragener Kräfteplan läßt deutlich die radial nach innen wirkende Rückstell­kraft auf die Führungsstücke 37 erkennen. In dem Kräfteplan stellt FU die von dem Mitnehmer auf den Flansch 11 ausgehende Umfangskraft dar. Innerhalb des Schlitzes teilt sich diese Umfangskraft auf in zwei Komponenten, nämlich eine auf die Schlitzbahn wirkende Normalkraft FN und eine in Schlitzlängsrichtung wirkende Kraft FS. Die Kraft FS bewirkt, daß das Führungsstück 37 sich bei der in Fig. 8 angegebenen Drehrichtung des Flansches 12 nach radial innen be­wegt, wenn eine hydraulische Gegenkraft fehlt. Bei dieser Betrachtung ist zunächst unberücksichtigt geblieben, daß auf die Führungsstücke 37 auch noch eine der Kraft FS entgegengerichtete Zentrifugal­kraft wirkt. Ebenso unberücksichtigt sind Reibungs­kräft zwischen dem Mitnehmer und der Führungsschlitz­bahn geblieben. Werden diese Gegenkräfte berücksichtigt, muß, um eine nach radial innen gerichtete Bewegung der Führungsstücke zu gewärleisten, lediglich die Kraft FS größer als die genannten Gegenkräfte sein, was in der Praxis bei Nockenwellen für Verbrennungs­motoren regelmäßig der Fall ist.
  • Fig. 9 zeigt die Anordnung des Führungsschlitzes 42 in der Scheibe 12. Berücksichtigt man die in der Fig. 9 angegebene Umlaufrichtung der Scheibe 12, so erkennt man, daß der Führungsschlitz 42 in bezug auf die Drehrichtung der Nockenwelle eine gegenüber dem Fürungsschlitz 41 entgegengesetzte Neigung aufweist.
  • Sind die Neigungen der Führungsschlitze 41 und 42 exakt entgegengerichtet, so werden die Steuernocken 4 und 5 um jeweils den gleichen Betrag in entgegenge­setzte Richtungen verdreht. Durch abweichende Lagen und Formgebungen der Führungsschlitze läßt sich der Verlauf und die gegenseitige Abhängigkeit der Steuer­zeiten der Nocken 4 und 5 beliebig variieren.
  • Der Hydralikdruck zur Verstellung und Steuerung der Führungskörper 37 wird durch einen Prozessor anhand gemessener Motorbetriebsdaten ermittelt. Über einen Leistungsteil gibt der Prozessor eine proportionale Stromstärke ab, mit der mit Hilfe eines Proportional­magneten ein regelbares Druckbegrenzungsventil ge­steuert wird. Der von dem Druckbegrenzungsventil auf die Hydralikflüssigkeit freigegebene Druck wirkt sodann auf die Führungsstücke 37. Zwischen dem Ring­anschluß 39, in den die Hydraulikflüssigkeit über die Öffnung 43 gelangt und den Führungsstücken 37 durchläuft die Hydraulikflüssigkeit einen Ringkanal 44 in einer auf dem Wellenstumpf 33 aufgebrachten Kappe 45, eine Sacklochbohrung 46 in dem Wellenstumpf 33, eine Durchgangsbohrung 47 ebenfalls in dem Wellenstumpf 33, einen weiteren Ringkanal 48 und eine in die Bohrung 38 führende Zulaufbohrung 49.

Claims (12)

1. Verstelleinrichtung für eine Nockenwelle zum Steuern der Gasein- und Auslaßventile von Ver­brennungsmotoren mit veränderbaren Steuerzeiten für das Öffnen und Schließen der Ventile, bei der die Nockenwelle folgende Merkmale aufweist
- zwei Wellen sind gegeneinander drehbar kon­zentrisch ineinander gelagert,
- die äußere der zwei Wellen (Außenwelle) ist in an dem Verbrennungsmotor ortsfest an­geordneten Lagern axial fixiert drehbar ge­lagert,
- an der sich axial erstreckenden Außenfläche weist die Außenwelle fest mit dieser ver­bundene Steuernocken zum Betätigen entweder nur der Ein- oder der Auslaßventile auf,
- die für die Steuerung der nicht von den fest mit der Außenwelle verbundenen Steuer­nocke betätigten Ventile erforderlichen Steuernocken sind auf der Außenwelle achsgleich mit dieser drehbar gelagert,
- die Außenwelle weist in Unfangsrichtung Schlitze auf, durch die in Umfangsrichtung über einen vorgebbaren Winkel verschiebbare Paßstücke radial hindurchragen,
- die Paßstücke verbinden die drehbar auf der Außenwelle gelagerten Steuernocken mit der Innenwelle,
- Außen- und Innenwelle sind über einen durch den in Umfangsrichtung vorgegebenen Verschiebe­weg der Paßstücke entsprechenden Drehwinkel gegeneinander verstell- und in jeder dadurch erzielbaren Lage fixierbar,
gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum gegenseitigen Verdrehen der beiden Wellen mit folgenden Merkmalen:
(a) ein auf der Innen- oder Außenwelle (3, 1) drehbar gelagertes Antriebsrad (13) ist als Umlaufträger eines Planetengetriebes um­fangsmäßig gegenüber beiden Wellen (1, 3) arretierbar,
(b) die in dem Umlaufträger gelagerten Planeten­räder (16) stehen einerseits mit einem an einer ersten der beiden Wellen (1, 3) starr angebrachten Sonnenrad (18) und andererseits mit einem mit der zweiten Welle starr ver­bundenen Hohlrad (19) in Eingriff.
2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Antriebsrad (13) zwischen zwei kraft­schlüssig an dieses anlegbaren Stegen (11, 12) liegt, von denen einer mit der Innen- und einer mit der Außenwelle (3, 1) starr verbindbar ist.
3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Flansch (11) starr mit der Außenwelle (1) und mit axial mit Spiel in Umfangsrichtung durch das Antriebsrad (13) hindurchragenden Bolzen ver­drehungsfrei mit einer auf der Innenwelle (3) ge­lagerten das Hohlrad (19) des Planetengetriebes tragenden Scheibe (12) verbunden ist, die über ein an der Innenwelle (3) angreifendes Befestigungs­mittel (20) kraftschlüssig mit letzterer verbind­bar ist.
4. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Befestigungsmittel eine Mutter (20) ist.
5. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Befestigungsmittel ein elektrischer Schrittmotor (23) ist, von dem gas Gehäuse mit der Scheibe (12) und die Antriebswelle (24) mit der Innenwelle (3) starr verbunden sind.
6. Verstelleinrichtung nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch ein Befestigungs­mittel mit folgenden Merkmalen:
(a) ein mit einer Spindelnut 30 versehener Bolzen (27) ragt in die Innenwelle (3),
(b) der Bolzen (27) ist gegenüber der Scheibe (12) unverdrehbar jedoch axial verschiebbar ge­lagert,
(c) Innenwelle (3) und Bolzen (27) sind relativ zueinander verdreh- und längsverschiebbar,
(d) in die Spindelnut (30) des Bolzen (27) greift eine in der Innenwelle (3) ortsfest gelagerte Kugel (31) ein,
(e) der Bolzen (27) ist an einem längs der Nockenwellenachse verschiebbaren Stempel (26) eines ortsfest an dem Verbrennungsmotor angebrachten Hydraulikmotors axial fixiert und drehbar gelagert,
(f) zwischen dem Stempel (26) und der Scheibe (12) wirkt eine Druckfeder (32),
(g) durch Druckbeaufschlagung des Hydraulik­motors (25) ist die axiale Lage des Stempels (26) einstellbar.
7. Verstelleinrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schrittmotor (23) bzw. der Stempel (26) des Hydraulikmotors (25) in Abhängigkeit von Motorbetriebsdaten, wie insbesondere der Ansaug­luftmenge, steuerbar ist.
8. Verstelleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1,
gekennzeichnet durch eine Ein­richtung zum gegenseitigen Verdrehen der beiden Wellen mit folgenden Merkmalen:
(a) auf der Innen- oder Außenwelle (3, 1) ist ein aus einer Führungsscheibe (34) und einem fest damit verbundenen Zahnrad (35) bestehendes Antriebsrad drehbar gelagert,
(b) an einer ersten Stirnseite der Führungs­scheibe (34) liegt ein starr an der Außen­welle (1) montierter Flansch (11) und an der zweiten Stirnseite eine starr mit der Innenwelle (3) verbundene Scheibe (12) an,
(c) gegenüberdem Flansch (22) und der Scheibe (12) ist die Führungsscheibe (34) über einen vorgebbaren Weg verdrehbar,
(d) in der Führungsscheibe (34) sind radial gleichmäßig verschiebbare Führungsstücke (37) gelagert,
(e) die Führungsstücke (37) besitzen in Führungs­schlitze (41, 42) des Flansches (11) und der Scheibe (12) eingreifende Mitnehmer (40),
(f) die Führungsschlitze (41, 42) verlaufen in zwischen diametraler und Umfangsrichtung des Flansches (11) bzw. der Scheibe (12) liegender Richtung,
(g) die Lage der Führungsstücke (37) ist ein­stellbar.
9. Verstelleinrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Führungsstücke (37) hydraulisch ver­stellbare Stempel sind, wobei zur Hydraulik­beaufschlagung ein ortsfest an dem Verbrennungs­motor angebrachter Hydraulikmotor vorgesehen ist.
10. Verstelleinrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Führungsschlitze (41, 42) auf dem mit der Außenwelle (1) starr verbundenen Flansch (11) so geneigt sind, daß bezüglich einer gedachten Verbindungslinie zwischen dem radial außen liegenden Ende des Führungsschlitzes (41) mit dem jeweiligen Achsmittelpunkt des Flansches (11) das radial innen liegende Ende des Führungsschlitzes (41) in Flansch (11)-Umlaufrichtung jeweils vor dieser gedachten Linie liegt und daß die Führungs­stücke (37) lediglich von radial innen hydraulisch beaufschlagt sind.
11. Verstelleinrichtung nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Führungsschlitze (41, 42) in dem Flansch (11) und der Scheibe (12) in bezug auf die Umlauf­richtung unterschiedlich geneigt sind.
Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 8 - 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hydraulikmotor zur Beaufschlagung der Führungsstücke (37) in Abhängigkeit von Motor­betriebsdaten, wie insbesondere der Ansaugluft­menge, steuerbar ist.
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