Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Welle, insbesondere Nockenwelle, gegenüber einem Antriebsrad

Abstract

 Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Welle, insbesondere Nockenwelle, gegenüber einem Antriebsrad, mit der eine aktive Verstellung in beide Richtungen möglich ist und darüber hinaus die Stellung der Welle und des Antriebsrades durch Impulsgeber und Sensoren feststellbar und in einer elektronischen Schaltung zur Feststellung der Winkelverstellung und Steuerung austwerbar ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Eine derartige Einrichtung ist aus der europäischen Patentanmeldung 0 069 868 für eine Winkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einem Antriebsrad bekannt. Mit dieser Vorrichtung soll eine drehzahl- und lastabhängige Winkelverstellung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine erreicht werden, wobei über Impulsgeber und Sensoren eine Bezugswinkelstellung und eine Winkeldrehung der Motorkurbelwelle, die mit dem Antriebsrad verbunden ist, festgestellt und zu einem Stellwertsignal verarbeitet werden sollen. Dieses Stellwertsignal wird dabei einem Einstellgerät, das von mehreren Antriebsmotoren antreibbar und dessen Stellung von einem Mehrgangspotentiometer als Istwertsignal angezeigt ist, aufgeschaltet. Diese Vorrichtung ist sehr aufwendig und kompliziert aufgebaut und benötigt die Bereitstellung einer beträchtlichen Verstell-Leistung. Auch die Istwerterfassung erscheint als zu ungenau, da der Istwert nicht direkt von der Nockenwelle angezeigt wird.

[0003] Aus der DE-OS 20 32 581 ist eine weitere Vorrichtung zur Veränderung der Ventilsteuerzeiten bekannt, bei der die Nockenwelle bei geringen Leistungen des Motors selbsttätig rückverstellt und bei größeren Leistungen vorverstellt wird. Hierfür weist eine Kopplungseinrichtung zwei motor-drucköl-beaufschlagte Kolben in zylindrischen Bohrungen auf, die, gleichsinnig wirkend, eine Winkelverstellung bewirken sollen. Für die Rückstellung dieser Verstellung sind Jedoch, abgesehen von der durch Ölaustritt zwischen dem Kolben und Zylinder ermöglichten Rückstellung, keine Mittel angegeben, d. h. eine aktive Verstellung ist nur in eine Richtung möglich. Aufgabe der Erfindung Ist es daher, eine Vorrichtung der genannten Art so auszubilden, daß eine aktive Verstellung in entgegengesetzten Richtungen mölich ist, wobei der mechanische Aufwand In Grenzen gehaiten ist. Darüber hinaus soll hierfür eine Erkennung baw, Steuerung der Winkelverstellung mit hoher Genauigkeit ermöolicht werden.

[0004] Diese Aufgabe ist nach der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen werden Merkmaie vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung genannt.

[0005] Mit der Erfindung Ist eine vielseitig verwendbare Vorrichtung zur Steuerung einer Kopplungseinrichtung verwirklicht worden, die mechanisch und hydraulisch sehr einfach aufgebaut ist. Durch sirekt an den Kopplungsgliedern Welle und Antriebsrad angerchete impulsgeber Ist eine genaue Verstellwinkelerkennung möglich geworden. Durch die digitale Aufzeichnung der die Winkelverstellung kennzeichnenden Referenz- bzw. Bezugssignale und der ausgezähiten istewertsignale Ist eine Verknüpfung mit einer abgespelcherten Kennfeldsteuerung ohne Analog/Digital-Umwandlung gegeben. Die Winkelverstellung kann in jede Richtung er- folgen, eine daß eine große Verstell-Leistung bereitgestellt werden muß, Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

[0006] Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausführung einer Kopplungseinrichtung In einer Ansicht mit Teilschnitten,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Welle und das Antriebsrad nach Fig. 1,

Fig. 3, 4 und 5 Teilschnitte einer Ausführungsvariante der Fig. 1,

Fig. 6 eine Verriegelung,

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Erkennung und Steuerung der Winkelverstellung,

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer alternativen Schaltung.

[0007] Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung bestehend aus einem Lagerbock 1 mit zwei Lagerstellen 2, 3, in den eine aus zwei Teilen 4, 5 gebaute Welle 6 eingesetzt ist, wobei ein Zentrierzapfen 7 des Wellenteils 4 gleichzeitig einen Lagerzapfen 8 eines eine Verzahnung 9 aufweisenden Antriebsrades 10 bildet. Das Wellenteil 4 weist im Bereich der Lagerstelle 2 zwei umlaufende ölnuten 11, 12 auf, die mit zwei in der Lagerstelle 2 ausmündenden Ölbohrungen 13, 14 des Lagerbockes 1 fluchten. Jede dieser Bohrungen 13, 14 ist über Je eine Drossel 15 mit einer Druckleitung 16 einer Ölpumpe 17 verbunden und weist eine Entlastungsbohrung 18, 19 auf, die von einem elektrisch betätigbaren Ventil 20, 21 kontrolliert wird und in ein Ölreservoir 22 ausmündet.

[0008] Von den Öinuten 11, 12 geht Jewells eine Bohrung 23, 24 zu jewells einem, wie aus Fig. 2 ersichtlich, einen Kolben 25 aufweisenden Zylinder 26, 27, wobei die beiden Zylinder 26, 27 symmetrisch angeorchet sind. In einer die Bohrungen 23, 24 verbindenden Querbohrung 28 ist ein beidseitig federbelasteter Schieber 29 angeorchet, der die Querschnitte der zu den Zylindern 26, 27 führenden Bohrungen 23, 24 verschließt, wenn Druckgleichheit in den Bohrungen 23, 24 herrscht, wobei die Stirnflächen 30, 31 des Schiebers 29 über Jewells eine Leitung 32 aus einer der Bohrungen 23, 24 mit dem dort herrschenden Druck beaufschlagt sind.

[0009] Hierdurch wird erreicht, daß bei ungleichem Druck in den Bohrungen 23, 24, d. h. wenn eines der Ventile 20, 21 geöffnet ist, der Schieber 29 in die dann druckentlastete Bohrung eingeschoben ist, so daß die Querschnitte der Bohrungen 23, 24 geöffnet sind und Öl in einen der Zylinder 26, 27 hinein und aus dem anderen heraus fileßen kann. Hierdurch wird eine entsprechende Verstellung der Kolben 25 erreicht, wobei der unter Druckeinwirkung aus dem Zylinder herausgedrückte Kolben 25 dann gegen eine Kugel 33 wirkt, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sich an in bezug auf einen konzentrischen Umfang zur Welle 6 tangential verlaufende Reaktionskräfte verursachende Flächen 34, 35 der Welle 6 und des Antriebsrades 10 abstützt, so daß eine Winkelverstellung erreicht wird. Die Winkelverstellung kann durch die symmetrisch angeordneten Zylinder 26, 27 in beide Richtungen erfolgen.

[0010] Die welle 6 und das Antriebsrad 10 weisen Impulsgeber 36, 38 auf, die Jewells am äußeren Umfang angeordnet sind und auf am Lagerbock 1 befestigte Sensoren 37, 39 einwirken sollen.

[0011] Fig. 3 zeigt als Tellansicht eine Ausführungsvariante der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, die gegenüber Fig. 1 Unterschiede aufweist. Die nicht näher behandelten und die mit den gleichen Nummern bezeichneten Bautelle sind mit denen der Fig. 1 und 2 identisch.

[0012] In Fig. 3 ist ein Wellenteil 40 dargestellt, das dem Wellenteil 4 der Fig. 1 entspricht und mit dem nicht dargestellten Wellenteil 5 die Welle 6 bildet, die in den aus der nicht dargestellten Lagerstelle 3 und einer dargestellten Lagerstelle 41 bestehenden Lagerbock eingesetzt ist.

[0013] Das Wellenteil 40 weist eine in Axialrichtung mittig angeordnete Bohrung 42 mit einer mehrfach abgesetzten Buchse 43 auf, in der axial verschieblich ein Schieber 44 angeordnet ist, der durch einen drehfest an einer Abdeckhaube 45 befestigten Steller 46 über eine in den Schieber 44 eingeführte. Stange 47 gegen die Kraft zweier Federn 48, 49 verstellt werden kann, so daß drei definierte Schieberstellungen erreichbar sind, die als Mittelstellung in Fig. 3 und entgegengesetzte Endstellungen in Fig. 4 und 5 dargestellt sind. Schieber 44 steuert mit durch Freidrehungen 50, 51 gebildeten Zylinderabschnitten 52, 53 in der Buchse 43 angeordnete Steuerbohrungen 54, 55, die über außenliegende Nuten 56, 57 der Buchse 43 mit den zu den Zylindern 26, 27 führenden Bohrungen 23, 24 verbunden sind. Der durch die Freidrehung 50 zwischen den Zylinderabschnitten 52, 53 bestehende Raum 58 steht über eine in der Buchse 43 angeordnete und in eine Nut 60 der Buchse 43 einmündende Bohrung 59 mit einer Entlastungsbohrung 61 in Verbindung, die stirnseitig aus dem Wellenteil 40 in den Raum innerhalb der Abdeckhaube 45 ausmündet.

[0014] Wellenteil 40 weist im Bereich der Lagerstelle 41 eine Ölnut 62 auf, die eine Druckölbohrung 63 überlagert, die mit der Pumpe in Verbindung steht, so daß Öl über die Ölnut 62 und Querbohrungen 64, 65 und eine Längsbohrung 66 im Wellenteil 40 zu zwischen Schieber 44 und Buchse 43 einerseits und Schieber 44 und Grund der Bohrung 42 andererseits gebildete Kamnem 67, 68 strömen kann und diese unter Druck setzt.

[0015] Bei der Schleberstellung nach Fig . 3 verschießen die Zylinderabschnitte 52, 53 die Steuerbohrungen 54, 55, so daß kein Öl in die oder aus den Zylindern strömen kann. Es besteht somit der gleiche Zustand, wie er durch den Schleber 29 in Fig. 1 erreicht wird.

[0016] Nach Fig. 4 steht der Schieber 44 in der Endstellung, bei der Öl aus Kammer 68 in die Steuerbohrung 55 und von dort zum Zylinder 27 strömen kann und gleichzeitig Öl aus dem Zylinder 26 abfließen, da die Zylinderabschnitte 52, 53 die Steuerbohrungen 54, 55 frei- gegeben haben. Das aus dem Zylinder 26 über die Steuerbohrung 54 und den Raum 58 in die Entlastungsbohrung 61 strömende Ö1 f1 leßt in den Raum unterhalb der Abeckhaube ab.

[0017] Fig. 5 zelgt den Schleber 44 in der entgegengesetzten Endstellung, bei der Ö1 über die Steuerbohrung 54 in den Zyllnder 26 strömt und Ö1 aus dem Zyllnder 27 Ober die Steuerbohrung 55 und die Entlastungsbohrung 61 abflleßt.

[0018] Durch beide Endstellungen wird erreicht, daß der unter Druckeinwirlaung aus dem Zylinder herausgedrückte Kolben 25, wie in Fig. 2 dargestellt und berelts beschrieben, gegen die Kugel 33 wirkt und dadurch die Winkelverstellung erfolgt. Der Steller 44 kann elektromagnetlscher oder pneumetischer Art sein, wobel der pneumet ische durch entsprechende Druckbeaufschlagung (ggfs. aus einem Rezipienten oder einer Druckquelle) über ein Ekejtrivebtkl (nicht dargestellt) betätigbar wäre.

[0019] _Fig. 6 zeigt einen Auschnitt des Wellentells 4 bzw. 40 und des Antriebsrades 10, bei dem in einer der End lageb der Winkelverstellung zwischen dem Antriebsrad 10 und der Welle 6 ein federbelastetes Verbindungselement 69 (Kolben) in eine Ausnehmung 70 (Bohrung) des Antrlebsrades 10 eingerastet und dadurch eine formschlüsslge Verbindung zwischen dem Antrlebsrad 10 und der Welle 6 hergestellt ist. Dlese Verbindung wird lmmer dann aufgehoben, wenn der Jewellige Zyllnder mit Öldruck beaufschlagt ist, d. h. der Öldruck wirkt auf das gleichzeitig als Kolben ausgebildete Verbindungselement 69, so daß dieses gegen die Kraft einer Feder 71 bewegt wird und den Formschluß aufhebt. Nach erfolgter Verstellung wird ein erneuter Formschluß über das vom Öldruck im anderen Zylinder abhängig betätigte Verbindungselement 69 hergestellt, d. h., da dieserZylinder druckentlastet ist, ist auch das als Kolben ausgebildete Verbindungselement 69 druckentlastet, so daß die Feder 71 eine Verstellung gegen das Antriebsrad 10 und Einrasten des Verbindungselementes 69 in die Ausnehmung 70 bewirkt, wenn diese in Überdeckung komnen.

[0020] Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild, aus dem die Schaltung zur Erkennung der Winkelverstellung und zur Steuerung der die Verstellung bewirkenden Ventile 20, 21 der Vorrichtung aus Fig. 1 und 2 erkennbar ist.

[0021] Die Welle 6 und das Antriebsrad 10 sind als Kreise dargestellt und weisen die Impulsgeber 36, 38 auf, die bei Annäherung an die Sensoren 37, 39 in diesen ein Signal erzeugen.

[0022] Das Signal des Impulsgebers 36 des Anrtriebsrades 10 wird als Referenzsignal gewertet und entspricht der maximal möglichen Winkelverstellung.

[0023] Das Signal des Impulsgebers 38 der Welle 6 eilt als Istwertsignal bei der maximalen Winkelverstellung dem Referenzsignal voraus und weist dann eine dem Referenzsignal gleiche Zeitlänge auf. Hierbei Ist vorgesehen, daß das Istwertsignal einen Zähler 40 aktiviert und daß das Referenzsignal einen weiteren Zähler 41 für die Signaldauer aktiviert und gleichzeitig den Zähler 40 mit dem Signalanfang stoppt. Während ihrer Aktivierung zählen die Zähler 40, 41 Takte eines mit konstanter Frequenz arbeitenden Taktgebers 42. Die Zählergebnisse werden einem Teller 43 zugeführt, dessen Ergebnis als Verhältnis der Zählerergebnisse die Winkelverstellung zwischem dem 0- und dem Maximalwert erkennen läßt. Dieses Ergebnis kann in üblicher Weise mittels eines Korrektunwertspeichers 44 und ggfs. mittels weiterer Informet lonsslgnale (Drehzahl, Last etc.) in ein Korrektursignal verändert werden, das über einen Verstärker 45 den Ventllen 20,21 als elektrisches Signal zugeführt werden kann.

[0024] Fig. 8 zeigt eine alternative Schaltung, wobel die Welle 6 eine Anzahl von Impulsgebern 38 aufweist, deren Signale über den Sensor 39 von einem Zähler 46 so lange gezählt werden, bis der Impulsgeber 36 des Antriebsrades 10 über den Sensor 37 ein Signal erzeugt, das den Zähler 46 stoppt. Das Zählergebnis gibt Auskunft Ober die Winkelverstellung, da jedem Impuls eine best immte itmte Winkeiverstellung zugeordnet Ist, und kann mittels eines Korrekturwertspelchers 47 und ggfs. mittels weiterer Informationsssignale In ein Korrektursignal verändert werden, das über einen Verstärker 48 den Ventllen 20, 21 als elektrisches Signal zugeführt werden kann.

[0025] Die Schaltung nach Fig. 7 bzw, 8 ist ebenfalls in Verbindung mit der Vorrlchtung nach Fig. 3 arwendbar, wobel die Vorrichtung dann Jedoch keine Einrichtung nach Fig. 6 zur formschlässigen Verbindung des Antrlebsrades 10 und der Welle 6 in den Endlagen der Winkelverstellung benötigt. Das elektrische Signal wird bei Verwendung eines elektromagnet ischen Steller direkt diesem aufgeschaltet oder bei Verwendung eines pneumat ischen Stellers einem eine Leftungsverbindung zwischen dem Steller und einem Reziplenten oder einer Druckquelle steuernden Elektroventll.

[0026] Eine Arretterung der gewünschten Winkelverstellung ist durch die In Fig. 3 dargestellte Schieberstellung, bei der kein Ö1 in die oder aus den Zyllndern strömen kann (hydr. Verriegelung), oder durch die formschlüssige Verbindung zwischen Antriebsrad 10 und Welle 6 gegeben.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Welle, insbesondere Nockenwelle, gegenüber einem Antriebsrad, wobei die Verstellung durch hydraulische Mittel (Kolben und Zylinder) abhängig davon erfolgt, ob der Vorrichtung Drucköl zugeführt wird oder nicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) mindestens ein Zylinderpaar (26, 27) zur Verstellung mindestens eines Kolbens (25) in entgegengesetzte Richtungen aufweist,
daß in der Welle (6) ein 3-^Punktschieber (29, 44) angeordnet ist, der die Verstellrichtung durch seine Endstellung bestimmt, in denen der jeweils betreffende Zylinder jedes Zylinderpaares (26, 27) mit einer Entlastungsbohrung (18, 19, 61) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der 3-Punktschieber (29, 44) in seiner Mittelstellung die Verbindungsbohrungen (23, 24) zu den Zylindern (26, 27) absperrt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der 3-_Punktschieber (44) von einem Steller (46) elektromagnetisch betätigbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der 3-Punktschleber (44) von einem Steller (46) pneumatisch betätigbar Ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der 3-Punktschieber (29) abhängig von einer zwischen einer Druckölbohrung (13, 14) und einer Entlastungsbohrung (18, 19) bestehenden Druckdifferenz betätigbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent lastungsbohrung (18, 19) aus der Druckölbohrung (13, 14) gebildet Ist, die durch ein jewells vorhandenes elektrisch betätigbares Ventil (20, 21) mit dem Ö1 reservoir verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Zylinder (26, 29) Je einen Kolben (25) aufweist, die unter Belastung an Kugeln (33) anliegen, die sich in bezug auf einen konzentrischen Umfang zur Welle (6) tangential verlaufende Reaktionskräfte verursachende Flächen (34, 35) der Welle (6) und des Antriebsrades (10) abstützen.

8. Vorrichtung nech einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in vorbestimmten Lagen der Winkelverstellung federbelastete Verbindungselemente (69) (Kolben) in Ausnehmungen(70)des Antriebsrades (10) bzw. der Welle (6) einrasten und eine formschlüssige Verbindung zwischen Antriebsrad (10) und Welle (6) herstellen, die bei einem Wechsel der Endstellung des 3-Punktschiebers (29, 44) durch Druckölbeaufschlagung des Verbindungselelementes (69) (Kolben) aufgehoben wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (46) des 3-Punktschiebers (44) -in Verbindung mit bekannten Impeisgebern (36, 38) und Sensoren (37, 39) zur Erkennung der Stellung des Antriebsrades (10) und der Welle (6)- durch Korrektursignale geschaltet wird, die aus dem Verhältnis von durch die Impulsgeber (36, 38) und Sensoren (37, 39) während drehzahlsynchron wiederkehrender, gleichbleibender Zeitspannen festgestellten Referenz- und istwertsignalen sewie gespeicherten Sollwerten gebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (46) des 3-Punktschiebers (44) -in Verbindung mit bekannten Impulsgebern (36, 38) und Sensoren (37, 39) zur Erkennung der Stellung des Antriebsrades (10)und der Welle (6)- durch Korrektursignale geschaltet wird, die aus einem durch die Impulsgeber (36, 38) und Sensoren (37, 39) festgestellten Bezugssignal und einem ausgezählten, einer bestimmten Winkelverstellung entsprechenden Istwertsignal sowie gespeicherten Sollwerten gebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (20, 21) -in Verbindung mit bekannten Impulsgebern (36, 38) und Sensoren (37, 39) zur Erkennung der Stellung des Antriebsrades (10) und der Welle (6)- durch Korrektursignale geschaltet werden, die aus dem Verhältnis von durch die Impulsgeber (36, 38) und Sensoren (37, 39) während drehzahlsynchron wiederkehrender, gleichbleibender Zeitspannen festgestellten Referenz- und Istwertsignalen sowie gespeicherten Sollwerten gebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (20, 21) -in Verbindung mit bekannten Impulsgebern (36, 38) und Sensoren (37, 39) zur Erkennung der Stellung des Antriebsrades (10) und der Welle (6)-durch Korrektursignale geschaltet werden, die aus einem durch die Impulsgeber (36, 38) und Sensoren (37, 39) festgestellten Bezugssignal und einem ausgezählten, einer bestimmten Winkelverstellung entsprechenden Istwertsignal sowie gespeicherten Sollwerten gebildet sind.

Zeichnung