EP0903470B1 - Vorrichtung zur verstellung einer nockenwelle einer brennkraftmaschine mit innerer verbrennung - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a device for adjusting a camshaft of an internal combustion engine according to the preamble of patent claim 1.
- valve timing In order to achieve optimum fuel consumption and exhaust gas values in various areas of the engine map, it is necessary to change the valve timing in dependence on various operating parameters. Such a change in the timing can be elegantly effected by a rotation of the camshaft with respect to the driving wheel.
- the camshaft of an internal combustion engine is usually driven by a sprocket, which is connected to the crankshaft via a drive chain, or designed as a pulley drive wheel, which communicates via a toothed belt with the crankshaft.
- GB 2 221 513 A shows an adjusting device for camshafts, in which a. Electric motor actuated a group of levers that rotate the camshaft relative to the drive wheel. For this purpose, an actuating element, on which the levers are articulated, is displaced in the axial direction.
- Electric motor actuated a group of levers that rotate the camshaft relative to the drive wheel.
- an actuating element, on which the levers are articulated is displaced in the axial direction.
- A1 adjusting devices are known in which between an associated with the camshaft component and an associated with the drive wheel component an adjusting element is provided which has two helical gears, the with corresponding teeth of the camshaft and the drive wheel are engaged.
- an axial displacement of this adjusting element By an axial displacement of this adjusting element, a rotation of the camshaft relative to the drive wheel can be effected.
- One possibility of the axial displacement of the adjusting element is the actuation by a hydraulic piston, which is actuated in dependence on the required adjustment.
- the disadvantage of this solution is that to achieve the required forces, a relatively large hydraulic piston is required, which is a major construction effort.
- the oil consumption by the operation of the piston is relatively large, which is a load on the engine by a corresponding oil pump.
- the camshaft can be switched back and forth only between two end positions.
- DE 36 07 256 A describes a device in which a stepping motor for adjusting the camshaft is provided, which is connected on the one hand with the camshaft and on the other hand with the drive wheel. Since this stepper motor must absorb the entire drive torque of the camshaft, such a solution is not feasible with reasonable effort.
- Object of the present invention is to develop a device of the above type such that with comparatively simple means a safe and reliable adjustment of the camshaft is achieved without limiting the life of the engine.
- the electric motor in principle rotates with the camshaft and that due to the large reduction, which is given by the two threaded portions, a relatively low moment load of the electric motor can be achieved. In this way, a complex transmission of the actuating force can be avoided by a non-rotating electric motor to the rotating camshaft.
- the inventive system is self-locking, so that an undesirable adjustment of the system can not take place. Furthermore, the system requires no bearings, which must accommodate the speed of the camshaft. The roller bearings of the system itself run at a total camshaft speed and only need to accommodate the rotation of the electric motor.
- the camshaft is connected to a flange, that the electric motor is connected to a sleeve-shaped component and that the flange is fixedly connected to the sleeve-shaped component via connecting elements which pass through the drive wheel.
- the flange is fixedly connected to the sleeve-shaped component via connecting elements which pass through the drive wheel.
- bolts which connect the flange with the sleeve pass through arcuate slots in the drive wheel.
- the drive shaft of the motor has a helically threaded portion which is in engagement with a threaded portion of the adjusting element. In this way, a very large reduction from a fast-running electric motor to a corresponding one
- Axial movement of the adjustment can be effected.
- the electric motor is designed as a stepping motor, this allows a simple control and reliable operation.
- FIG. 1 a section through an embodiment variant of the present invention.
- a non-illustrated camshaft of an internal combustion engine has a flange 2 at one end.
- a camshaft drive member 4 is fixedly connected to the camshaft 1 via a screw 3.
- the component 4 is connected via a mounted on its outer circumference helical threaded portion 4a with a threaded portion 5a of the adjusting element-5 in engagement.
- the adjusting element 5 surrounds the component 4 and in turn has at its outer periphery a threaded portion 5b.
- This threaded portion 5b is engaged with a threaded portion 6b of the drive wheel 6 for the camshaft 1, which is formed as a sprocket. In the teeth 6a of the sprocket 6 engages a drive chain, not shown.
- the inner threaded portion 5a of the adjusting element 5 is formed in the opposite direction to the outer threaded portion 5b, so that by an axial displacement of the adjusting element 5, a rotation of the camshaft 1 with respect to the drive wheel 6 takes place.
- a sleeve 7 With the flange 2 of the camshaft 1, a sleeve 7 is firmly connected. The connection is made by threaded bolts 8, which are screwed in the flange 2, and which are fastened with a nut 9 on the sleeve 7.
- the threaded bolts 8 pass through holes 10 in the drive wheel 6, which holes 10 are formed as circular arc-shaped elongated holes.
- Spacers 11, 12 and 13 establish a well-defined distance between the sleeve 7 and the flange 2 ago.
- the spacer 12 is made smaller than the width of the slot 10, while the spacers 11 and 13 have a larger diameter.
- the width of the spacer 12 corresponds exactly to the thickness of the drive wheel 6 in this section, so that the axial position of the drive wheel is fixed without play.
- a spindle 14 has a External thread 14 a, via which it is engaged with the adjusting element 5.
- the spindle 14 is driven by an electric motor 15 which is fixedly connected to the sleeve 7.
- connection is made by screws 16, which connect the electric motor 15 with a fastened to the sleeve 7 connecting member 17.
- the spindle 14 is mounted via a rolling bearing 20 in the radial direction relative to the component 17.
- a locking ring 21 secures the outer ring of the rolling bearing 20.
- the spindle 14 is fixed by a thrust bearing 22 in position.
- the thrust bearing 22 is supported on the one hand on an abutting on a shoulder of the sleeve 7 disc 23, and on the other hand on a disc 24, which is connected by a nut 25 with the sleeve 7.
- a shaft seal 26 prevents the ingress of engine oil to the electric motor 15.
- the shaft seal 26 is fixed with its outer periphery with the sleeve 7.
- a nut 27 defines, via a sleeve 28, the exact axial position of the spindle 14 with respect to the thrust bearing 22.
- the engine 15 is fixedly connected to the camshaft 1.
- the output shaft 29 of the motor 15 rotates the spindle 14.
- the rotation of the spindle 14 relative to the camshaft 1 is caused to displace the adjustment member 5 along the threaded portion 14a in the axial direction, for example, to the left in FIG. 1.
- By this displacement takes place a rotation of the component 4, relative to the drive wheel 6 according to the opposite threaded portions 4a / 5a and 6b / 5b.
- the camshaft 1 is adjusted with respect to the drive wheel 6.
- an unillustrated further shaft seal must be provided on the outside of the sleeve 7, which is externally mounted in a corresponding partition, which is also not shown. Due to the large ratio of the electric motor 15 can be achieved that even with a relatively low torque secure adjustment can be achieved.
- the present invention makes it possible to easily and safely change the timing of valves of an internal combustion engine. It is particularly advantageous that any intermediate positions can be controlled.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
- Um in verschiedenen Bereichen des Motorkennfeldes optimale Verbrauchs- und Abgaswerte zu erzielen, ist es erforderlich, die Ventilsteuerzeiten in Abhängigkeit verschiedener Betriebsparameter zu verändern. Eine solche Veränderung der Steuerzeiten kann in eleganter Weise durch eine Verdrehung der Nockenwelle in Bezug auf das sie antreibende Rad bewirkt werden. Die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine wird üblicherweise durch ein Kettenrad, das mit der Kurbelwelle über eine Antriebskette verbunden ist, oder ein als Riemenscheibe ausgebildetes Antriebsrad, das über einen Zahnriemen mit der Kurbelwelle in Verbindung steht, angetrieben.
- Die GB 2 221 513 A zeigt eine Verstellvorrichtung für Nockenwellen, bei der ein. Elektromotor eine Gruppe von Hebeln betätigt, die die Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad verdrehen. Zu diesem Zweck wird ein Betätigungselement, an dem die Hebel angelenkt sind, in Axialrichtung verschoben. Eine solche Lösung ist jedoch aufwendig und aufgrund der Vielzahl von Lagern mit einem großen Spiel behaftet.
- Aus der DE 41 10 088 C1 und aus der DE 39 29 619 A1 sind Verstelleinrichtungen bekannt, bei denen zwischen einem mit der Nockenwelle in Verbindung stehenden Bauteil und einem mit dem Antriebsrad in Verbindung stehenden Bauteil ein Verstellelement vorgesehen ist, das zwei Schrägverzahnungen aufweist, die mit entsprechenden Verzahnungen der Nockenwelle bzw. des Antriebsrades in Eingriff stehen. Durch eine Axialverschiebung dieses Verstellelements kann eine Verdrehung der Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad bewirkt werden. Eine Möglichkeit der Axialverschiebung des Verstellelements ist dabei die Betätigung durch einen Hydraulikkolben, der in Abhängigkeit von der erforderlichen Verstellung betätigt wird. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass zur Erzielung der erforderlichen Kräfte ein relativ großer Hydraulikkolben erforderlich ist, was einen großen baulichen Aufwand darstellt. Außerdem ist der Ölverbrauch durch die Betätigung des Kolbens relativ groß, was eine Belastung des Motors durch ein entsprechende Ölpumpe darstellt. Darüber hinaus kann bei einer solchen bekannten Vorrichtung die Nockenwelle nur zwischen zwei Endstellungen hin- und hergeschaltet werden.
- Weiters ist aus der DE 41 01 676 A1 eine elektrische Verstellvorrichtung bekannt, bei der ein Elektromotor vorgesehen ist, der über eine Gewindespindel das Verstellelement verschiebt. Da sich jedoch das Verstellelement im wesentlichen mit Nockenwellendrehzahl dreht, muss zwischen dem Elektromotor und dem Verstellelement ein Axialdrucklager vorgesehen sein, das die Relativbewegung zwischen dem verdrehfesten und dem sich drehenden Bauteil aufnimmt. Dieses Axialdrucklager ist bei der bekannten Lösung praktisch während des gesamten Motorbetriebs belastet, da durch die zwischen Antriebsrad und Nockenwelle wirkenden Torsionsmomente stets eine in Axialrichtung wirkende Kraft auf das Verstellelement ausgeübt wird. Dieses Axialdrucklager ist daher ein kritischer Bauteil, der die Lebensdauer des Motors einschränkt. Eine ähnliche Lösung ist in der DE 33 20 835 A1 beschrieben, wobei die gleichen Nachteile auftreten.
- Die DE 36 07 256 A beschreibt eine Vorrichtung, bei der ein Schrittmotor zur Verstellung der Nockenwelle vorgesehen ist, der einerseits mit der Nockenwelle und andererseits mit dem Antriebsrad verbunden ist. Da dieser Schrittmotor das gesamte Antriebsmoment der Nockenwelle aufnehmen muss, ist eine solche Lösung mit vernünftigem Aufwand nicht realisierbar.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der oben genannten Art derart weiterzubilden, dass mit vergleichsweise einfache Mitteln eine sichere und zuverlässige Verstellung der Nockenwelle erreicht wird, ohne die Lebensdauer des Motors einzuschränken.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Ausführung entsprechend Patentanspruch 1 gelöst.
- Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist, dass sich der Elektromotor grundsätzlich mit der Nockenwelle mitdreht und dass bedingt durch die große Untersetzung, die durch die beiden Gewindeabschnitte gegeben ist, eine relativ geringe Momentenbelastung des Elektromotors erzielbar ist. Auf diese Weise kann auch eine aufwendige Übertragung der Betätigungskraft von einem an sich nicht drehenden Elektromotor auf die sich drehende Nockenwelle vermieden werden.
- Das erfindungsgemäße System ist selbsthemmend, so dass eine unerwünschte Verstellung des Systems nicht stattfinden kann. Weiters erfordert das System keine Wälzlager, die die Drehzahl der Nockenwelle aufnehmen müssen. Die Wälzlager des Systems selbst laufen insgesamt mit Nockenwellendrehzahl und müssen nur die Drehung des Elektromotors aufnehmen.
- In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nockenwelle mit einem Flansch verbunden ist, dass der Elektromotor mit einem hülsenförmigen Bauteil verbunden ist und dass der Flansch über Verbindungselemente, die durch das Antriebsrad hindurchtreten, mit dem hülsenförmigen Bauteil fest verbunden ist. Auf diese Weise wird eine besonders kompakte Ausführung erreicht. Dabei treten Bolzen, die den Flansch mit der Hülse verbinden, durch bogenförmig ausgebildete Langlöcher im Antriebsrad hindurch.
- Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Antriebswelle des Motors einen schräg verzahnten Gewindeabschnitt aufweist, der mit einem Gewindeabschnitt des Verstellelements in Eingriff steht. Auf diese Weise kann eine sehr große Untersetzung von einem schnell laufenden Elektromotor in eine entsprechende
- Axialbewegung des Verstellelements bewirkt werden.
- Besonders günstig ist es, wenn der Elektromotor als Schrittmotor ausgebildet ist, dies ermöglicht eine einfache Ansteuerung und einen zuverlässigen Betrieb. In Abhängigkeit von der konstruktiven Auslegung kann es von Vorteil sein, den Elektromotor als Getriebemotor auszubilden. Durch das integrierte Untersetzungsgetriebe kann ein Schnelllaufender Elektromotor mit besonders geringen Momenten betrieben werden.
- In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsvarianten näher erläutert. Die Figuren zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
- Eine nicht näher dargestellte Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung besitzt an einem Ende einen Flansch 2. Über eine Schraube 3 ist ein Nockenwellen-Antriebsbauteil 4 fest mit der Nockenwelle 1 verbunden. Der Bauteil 4 steht über einen an seinem äußeren Umfang angebrachte schrägverzahnten Gewindeabschnitt 4a mit einem Gewindeabschnitt 5a des Verstellelements-5 in Eingriff. Das Verstellelement 5 umgreift den Bauteil 4 und besitzt seinerseits an seinem äußeren Umfang einen Gewindeabschnitt 5b. Dieser Gewindeabschnitt 5b steht mit einem Gewindeabschnitt 6b des Antriebsrades 6 für die Nockenwelle 1 in Eingriff, das als Kettenrad ausgebildet ist. In die Zähne 6a des Kettenrades 6 greift eine nicht dargestellte Antriebskette ein. Über die Antriebskette wird eine genau definierte Stellung des Antriebsrades 6 in Bezug auf die Drehung der Kurbelwelle, die ebenfalls nicht dargestellt ist, gewährleistet. Der innere Gewindeabschnitt 5a des Verstellelements 5 ist gegensinnig zu dem äußeren Gewindeabschnitt 5b ausgebildet, so dass durch eine Axialverschiebung des Verstellelements 5 eine Verdrehung der Nockenwelle 1 in Bezug auf das Antriebsrad 6 erfolgt. Mit dem Flansch 2 der Nockenwelle 1 ist eine Hülse 7 fest verbunden. Die Verbindung erfolgt über Gewindebolzen 8, die im Flansch 2 eingeschraubt sind, und die mit einer Mutter 9 an der Hülse 7 befestigt sind. Die Gewindebolzen 8 treten durch Bohrungen 10 im Antriebsrad 6 hindurch, welche Bohrungen 10 als kreisbogenförmig ausgeformte Langlöcher ausgebildet sind. Distanzscheiben 11, 12 und 13 stellen einen genau definierten Abstand zwischen der Hülse 7 und dem Flansch 2 her. Die Distanzscheibe 12 ist kleiner ausgeführt als die Breite des Langlochs 10, während die Distanzscheiben 11 und 13 einen größeren Durchmesser aufweisen. Die Breite der Distanzscheibe 12 entspricht genau der Dicke des Antriebsrades 6 in diesem Abschnitt, so dass auch die axiale Position des Antriebsrades spielfrei festgelegt ist. Eine Spindel 14 besitzt ein Außengewinde 14a, über das sie mit dem Verstellelement 5 in Eingriff steht. Die Spindel 14 wird von einem Elektromotor 15 angetrieben, der fest mit der Hülse 7 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt über Schrauben 16, die den Elektromotor 15 mit einem an der Hülse 7 befestigten Verbindungsbauteil 17 verbinden. Eine Schleifringplatine 18, die mit dem Elektromotor 15 fest verbunden ist, nimmt Schleifringe 19 zur Versorgung des Elektromotors 15 auf. Die Spindel 14 ist über ein Wälzlager 20 in Radialrichtung gegenüber dem Bauteil 17 gelagert. Ein Sicherungsring 21 sichert den Außenring des Wälzlagers 20. In Axialrichtung wird die Spindel 14 durch ein Axiallager 22 in ihrer Position festgelegt. Das Axiallager 22 stützt sich einerseits auf eine an einem Ansatz der Hülse 7 anlegende Scheibe 23, und andererseits auf eine Scheibe 24 ab, die durch eine Mutter 25 mit der Hülse 7 verbunden ist. Ein Wellendichtring 26 verhindert das Eindringen von Motoröl zum Elektromotor 15. Der Wellendichtring 26 ist mit seinem äußeren Umfang mit der Hülse 7 befestigt. Eine Mutter 27 legt über einer Hülse 28 die genaue axiale Position der Spindel 14 in Bezug auf das Axiallager 22 fest.
- Bei der vorliegenden Ausführungsvariante ist der Motor 15 fest mit der Nockenwelle 1 verbunden. Wenn der Motor angesteuert wird, dreht die Abtriebswelle 29 des Motors 15 die Spindel 14. Durch die Drehung der Spindel 14 relativ zur Nockenwelle 1 wird bewirkt, dass sie das Verstellelement 5 entlang des Gewindeabschnitts 14a in Axialrichtung verschiebt, beispielsweise nach links in der Fig. 1. Durch diese Verschiebung erfolgt eine Verdrehung des Bauteils 4, relativ zum Antriebsrad 6 zufolge der gegenläufigen Gewindeabschnitte 4a/5a bzw. 6b/5b. Auf diese Weise wird die Nockenwelle 1 in Bezug auf am Antriebsrad 6 verstellt. Um eine völlige Trennung des Elektromotors 15 vom Ölraum der Brennkraftmaschine zu schaffen, muss an der Außenseite der Hülse 7 ein nicht dargestellter weiterer Wellendichtring vorgesehen sein, der außen in einer entsprechenden Trennwand, die ebenfalls nicht dargestellt ist, eingebaut ist. Durch die große Übersetzung des Elektromotors 15 kann erreicht werden, dass schon mit einem relativ geringen Drehmoment eine sichere Verstellung erreichbar ist.
- Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Steuerzeiten der Ventile einer Brennkraftmaschine in einfacher Weise und sicher zu verändern. Besonders vorteilhaft ist, dass auch beliebige Zwischenstellungen angesteuert werden können.
Claims (7)
- Vorrichtung zur Verstellung einer Nockenwelle (1) einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung in Bezug auf das sie antreibende Antriebsrad (6), mit einem Verstellelement (5), das einerseits mit einem das Antriebsrad (6) tragenden Bauteil in Eingriff steht, und das andererseits mit einem mit der Nockenwelle (1) fest verbundenen Bauteil (4) in Eingriff steht, wobei das Verstellelement (5) einen ersten Gewindeabschnitt (5a), der mit einem Gewindeabschnitt (4a) des mit der Nockenwelle (1) fest verbundenen Bauteils (4) in Eingriff ist sowie einen zweiten Gewindeabschnitt (5b), der mit einem Gewindeabschnitt (6b) des das Antriebsrad (6) tragenden Bauteils in Eingriff ist, aufweist, so dass durch eine Axialverschiebung des Verstellelements (5) eine Verdrehung der Nockenwelle (1) gegenüber dem Antriebsrad (6) bewirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verschiebung des Verstellelements (5) in Axialrichtung ein Elektromotor (15) vorgesehen ist, der fest mit der Nockenwelle (1) verbunden ist und über Schleifkontakte (19) mit Strom versorgt wird.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (1) mit einem Flansch (2) verbunden ist, dass der Elektromotor (15) mit einem hülsenförmigen Bauteil (7) verbunden ist und dass der Flansch (2) über Verbindungselemente (8), die durch das Antriebsrad (6) hindurchtreten, mit dem hülsenförmigen Bauteil (7) fest verbunden ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (29) des Motors (15) einen schräg verzahnten Gewindeabschnitt aufweist, der mit einem Gewindeabschnitt des Verstellelements in Eingriff steht.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gewindeabschnitt (5a) und der zweite Gewindeabschnitt (5b) an der Innen- bzw. Außenseite eines hohlzylindrischen Körpers angeordnet ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (15) als Schrittmotor ausgebildet ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (15) als Getriebemotor ausgebildet ist.
- Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist.
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