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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung mit variabler Phase,
um die Phase eines Antriebsglieds und eines Abtriebsglieds in Bezug
aufeinander ändern
zu können.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Kupplung zum Variieren
der Phase einer Nockenwelle in Bezug auf die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine.
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Stand der
Technik
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Die
optimalen Winkel, bei denen die Einlaß- und Auslaßventile
einer Brennkraftmaschine sich sowohl in Bezug aufeinander als auch
in Bezug auf die Motorkurbelwelle öffnen und schließen sollten,
variieren mit der Drehzahl- und Lastbedingungen des Motors. In einem
Motor mit einer festen Ventileinstellung muß eine Kompromißeinstellung
gewählt
werden, in welcher verschiedene Leistungsparameter gegeneinander
aufgewogen werden.
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Um
in einem Drehzahl- und Lastbereich des Motors eine bessere Leistung
zu erreichen, wurde bereits vorgeschlagen, eine Kupplung mit variabler Phase
zu verwenden, um die Phase einer Nockenwelle in Bezug auf die Kurbelwelle
und in Bezug auf eine andere Nockenwelle zu variieren.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Kupplungen mit variabler
Phase bekannt, die alle ihre eigenen Vorteile und Nachteile aufweisen.
Vor allem Lärm
und Verschleiß sind
häufige
schwere Probleme, die dadurch verursacht werden, daß Nockenwellen
während
des Betriebs einer Drehmomentumkehr ausgesetzt werden. Während ein
Ventil von einer Nocke auf der Nockenwelle geöffnet wird, muß ein Drehmoment
in eine Richtung auf die Nockenwelle ausgeübt werden, um den Widerstand
der Ventilfeder zu überwinden.
Während
ein Ventil schließt,
neigt seine Feder zum anderen dazu, die Nockenwelle zu beschleunigen,
und die Nockenwelle wird einer Drehmomentreaktion von der Ventilsteuerung
ausgesetzt, die in die Gegenrichtung wirkt.
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Um
das Geräusch
zu unterdrücken,
das durch die Drehmomentumkehr verursacht wird, ist es erforderlich,
die Kupplungen sehr genau zu machen oder eine Form von aktiver Schlupfregelung
zu verwenden. Solch eine aktive Schlupfregelung trägt konventionell
zu einer Zunahme der Gleitreibung bei und erhöht die Kraft, die erforderlich
ist, um eine Phasenänderung
zu bewirken. Als Ergebnis ist es notwendig, auf einen größeren Antrieb
zurückzugreifen, und
wenn ein Hydraulikantrieb benutzt wird, hat dies aufgrund des kleinen
Durchmessers der Bohrungen in der Nockenwelle, die dem Antrieb Öl zuführen, auch
eine langsamere Ansprechzeit zur Folge.
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Ein
weiteres Problem bei einigen bekannten Konstruktionen ist, daß sie sich
bei einem bestehenden Motor nicht nachrüsten lassen, da sie größere Modifikationen
am Motorblock, am Zylinderkopf oder an der Ventilsteuerung erfordern.
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Um
die obigen Probleme zu lindern, haben die Anmelder früher in GB-A-2
237 737 eine Kupplung mit variabler Phase vorgeschlagen, um eine Kurbelwelle
eines Motors mit einer Nockenwelle zu verbinden. Die Kupplung umfaßt ein Antriebsglied, das
einen ersten Satz Nuten aufweist, und ein Abtriebsglied, das einen
zweiten Satz Nuten aufweist und in Bezug auf das Antriebsglied in
einer feststehenden Axialposition befestigt ist. Ein Zwischenglied, das
in Bezug auf das Antriebsglied und Abtriebsglied axial beweglich
ist, weist Nuten auf, die den Nuten sowohl des Antriebsglieds als
auch des Abtriebsglieds gegenüberliegen.
Die drei Glieder sind durch einen ersten Satz Kugeln, der in die
Nuten des Antriebsglieds und des Zwischenglieds eingreift, und einen
zweiten Satz Kugeln, der in die Nuten des Abtriebsglieds und des
Zwischenglieds eingreift, zur Drehung miteinander gekoppelt. Mindestens
einige der Nuten sind Spiralnuten, wodurch die relative Phase des Antriebs-
und Abtriebsglieds in Abhängigkeit von
der Axialposition des Zwischenglieds variiert. Es werden auch verschiedene
Mittel vorgeschlagen, um Schlupf zwischen dem Antriebs-, Zwischen-
und Abtriebsglied zu beseitigen.
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In
diesem früheren
Vorschlag des Anmelders sind Nuten auf der radial inneren und der
radial äußeren Seite
des Zwischenglieds geformt, und die drei Glieder liegen radial ineinander,
wodurch die Kupplung einen relativ großen Durchmesser aufweisen muß. Dies
kann zu Unterbringungsschwierigkeiten führen, wenn nicht genügend Raum
verfügbar
ist, um eine Kupplung mit einem großem Durchmesser unterzubringen.
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Aufgabe der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung zielt folglich auf die Bereitstellung einer
Variante der Kupplung nach dem früheren Vorschlag des Anmelders
ab, die für Motoren
geeignet ist, bei denen der radiale Raum, der zur Aufnahme der Kupplung
mit variabler Phase verfügbar
ist, eingeschränkt
ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine
Kupplung mit variabler Phase bereitgestellt, um eine Kurbelwelle
eines Motors mit einer Nockenwelle zu verbinden, wobei die Kupplung
ein Antriebsglied umfaßt,
das einen ersten Satz Nuten aufweist, ein Abtriebsglied, das einen
zweiten Satz Nuten aufweist und in Bezug auf das Antriebsglied in
einer feststehenden Axialposition befestigt ist, ein Zwischenglied,
das in Bezug auf das Antriebs- und Abtriebsglied axial beweglich
ist, Nuten, die den Nuten sowohl des Antriebsglieds als auch des
Abtriebsglieds gegenüberliegen,
einen ersten Satz Kugeln, der in die Nuten des Antriebsglieds und
des Zwischenglieds eingreift, und einen zweiten Satz Kugeln, der
in die Nuten des Abtriebsglieds und des Zwischenglieds eingreift,
um das Drehmoment durch das Zwischenglied vom Antriebsglied auf
das Abtriebsglied zu übertragen,
wobei mindestens einige der Nuten Spiralnuten sind, wodurch die
relative Phase des Antriebs- und Abtriebsglieds in Abhängigkeit
von der Axialposition des Zwischenglieds variiert, und Mittel vor gesehen
sind, um Schlupf oder Spiel zwischen dem Antriebs-, Zwischen- und
Abtriebsglied zu beseitigen, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten
auf dem Zwischenglied, die den Nuten des Antriebs- und Abtriebsglieds
gegenüberliegen,
auf der gleichen radialen Seite des Zwischenglieds geformt sind,
und dadurch, daß ein
Käfig zwischen
dem Zwischenglied und dem Antriebs- und Abtriebsglied vorgesehen
ist, um die Kugeln relativ zueinander axial zurückzuhalten.
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Die
Erfindung weicht vom früheren
Vorschlag der Anmelder darin an, daß die Zentren der Kugeln beider
Sätze auf
Kreisen mit gleichem Durchmesser liegen können, die axial voneinander
versetzt sind, statt ineinander zu liegen. Dies ermöglicht den Erhalt
einer Kupplung mit kleinerem Durchmesser, wobei die Axiallänge der
Kupplung gleichzeitig erhöht
wird.
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Wie
bei zu früher
vorgeschlagenen Kupplung ist es wichtig, aufgrund der Drehmomentumkehr,
welcher die Kupplung während
des Betriebs ausgesetzt werden kann, Schritte zu ergreifen, um Schlupf
zu beseitigen, In einer Ausführungsform
der Erfindung weist mindestens eine der Nuten im Antriebs- und Abtriebsglied
eine Steigung auf, die von der der entsprechenden Nut im Zwischenglied
leicht abweicht, und es sind Mittel vorgesehen, um das Antriebs- und Abtriebsglied
relativ zueinander axial vorzuspannen.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist mindestens eine der Nuten im Antriebs-, Abtriebs-
oder Zwischenglied auf einer Komponente geformt, die vom jeweiligen
Glied getrennt ist, und es sind Mittel vorgesehen, um die getrennte
Komponente in der Axialrichtung federnd vorzuspannen.
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Die
Außenfläche des
Zwischenglieds kann praktischerweise als eine der Dichtflächen eines
hydraulischen Betätigungssystems
der Kupplung mit variabler Phase dienen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nun Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen
beispielhaft beschrieben, wobei:
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1 ein
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Kupplung
in der Ebene ist, die die Drehachse der Kupplung enthält, wobei
die Zeichnung das Zwischenglied zeigt, das in der Mitte seines Einstellbereichs
angeordnet ist,
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2 eine
entsprechender Schnitt durch die Kupplung von 1 ist,
der das Zwischenglied an einer der zwei Endpositionen seines Einstellbereichs zeigt,
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3 eine
Endansicht der Kupplung ist,
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4 eine
perspektivische Ansicht des Antriebs- und Abtriebsglieds ist,
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5 eine 3 entsprechende
Ansicht ist, die die Kugeln zeigt, die in den Nuten angeordnet sind,
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6 eine 5 entsprechende
Ansicht ist, die den Käfig
zeigt, der über
den Kugeln angeordnet ist,
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7 eine 6 entsprechende
Ansicht ist, die das Zwischenglied zeigt, der über den Kugeln und den Käfig angeordnet
ist,
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8 ein
Schnitt durch die Kupplung in einer Ebene normal zur Drehachse ist,
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9 eine
Projektion der Laufrillen auf eine Ebene ist, um ein Verfahren zur
Beseitigung des Schlupfs zu veranschaulichen, und
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10 eine 9 entsprechende
Ansicht ist, die ein anderes Verfahren zur Beseitigung des Schlupfs
veranschaulicht.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt
einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kupplung mit variabler Phase 10,
der durch die Drehachse 12 der Kupplung geht. Die Kupplung
umfaßt
ein Antriebsglied, das in der dargestellten Ausführungsform ein Zahnrad 14 ist,
das von einer Motorkurbelwelle angetrieben wird, und das Abtriebsglied
wird durch eine Nockenwelle 16 gebildet, die in den Zeichnungen
nur partiell gezeigt wird.
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Das
Zahnrad 14 ist auf drehbare Weise auf der Nockenwelle 16 befestigt
und ist aus einem Stück mit
einer Kugellaufrille 18 geformt (siehe 2),
die äußere Spiralnuten 20 aufweist.
Eine ringförmige Muffe 22 ist
durch einen Bolzen 24 an das Ende der Nockenwelle 16 befestigt
und dreht sich mit der Nockenwelle. Eine zweite Kugellaufrille 26 (siehe 4)
, die Spiralnuten 28 aufweist, ist zwischen Schultern auf
der Nockenwelle 16 und der ringförmigen Muffe 22 eingeschlossen
und dreht sich mit der Nockenwelle mit.
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Ein
Zwischenglied 30 (siehe 7), das
innere Spiralnuten 32 aufweist, umgibt die zwei Kugellaufrillen 18 und 26 und
ist durch zwei Satz Kugeln 34, 36 zur Drehung
mit den zwei Kugellaufrillen gekoppelt. Das Zwischenglied 30 ist
relativ zu den zwei Laufrillen 18 und 26 hydraulisch
beweglich, in eine axiale Richtung, in der es mit einem Kolben 38 verbunden
ist, der im innerhalb einer Arbeitskammer hin und her beweglich
ist, die in einem Zylinder 40 enthalten ist, der mit den
Antriebsglied rotiert und durch eine Gleitringdichtung 44 an
seinem anderen Ende gegenüber
einem stationären
Tragflansch 42 abgedichtet ist, der zum Zylinderkopf des
Motors gehört. Ein
axial verlaufender Durchgang 46 ist im Tragflansch 42 geformt,
um den Ölfluß zur linken
Seite des Kolbens 38 zuzulassen, wie dargestellt, wogegen
das Öl
die rechte Seite des Kolbens durch einen radialen Durchgang 48 im
Flansch 42, eine ringförmige
Aussparung 50 und radiale Bohrungen 52 in der ringförmigen Muffe 22,
den ringförmigen
Raum 54 zwischen dem Bolzen 24 und der Muffe 22 und
den Öffnungen 56 in
der Nockenwelle 16 erreicht.
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Die
zwei Kugelsätze 34, 36 werden
in einem Käfig 60 (siehe 6)
aufgenommen, der zwischen dem Zwischenglied 30 und den
Kugellaufrillen angeordnet ist, wobei der Käfig durch eine nach oben gebogene
Zunge 62 (siehe 3), die in eine Aussparung im
Ende des Zwischenglieds 30 eingreift, axial zurückgehalten
wird.
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Eine
gewellte Feder 70 ist zwischen den zwei Kugellaufrillen 18 und 26 angeordnet,
um sie auseinanderzuspannen, und eine Scheibe 72 ist zwischen der
ringförmigen
Muffe 22 und der Kugellaufrille 26 angeordnet,
um zu verhindern, daß die
Kugeln 34 sich aus ihren Spiralnuten heraus bewegen.
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Die
Phase des Zahnrads 14 wird in Bezug auf die Nockenwelle 16 durch
axiale Verschiebung des Zwischenglieds 30 relativ zu den
zwei Laufrillen 18 und 26 eingestellt. Aufgrund
der unterschiedlichen Steigungen der Spiralnuten 20 und 28 und
der entsprechenden Nuten in der Innenfläche des Zwischenglieds 30 bewirkt
die axiale Verschiebung des Zwischenglieds 30, daß die Kugellaufrillen
sich relativ zueinander drehen und dadurch die Phase des Antriebsglieds
relativ zum Abtriebsglied verändern.
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Es
ist wichtig, in jedem Mechanismus zum Antrieb einer Nockenwelle
Schlupf zu beseitigen, da die Umkehr des Drehmoments, das durch
die Kupplung übertragen
wird, starken Lärm
und Verschleiß zur
Folge haben können.
In der beschriebenen Kupplung mit variabler Phase können verschiedene
Mittel angewandt werden, um Schlupf zu beseitigen.
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Eine
Möglichkeit,
die in 9 dargestellt ist, besteht darin, eine Spiralnut 20', 28' auf jeder Laufrille 14, 26 vorzusehen,
der Steigung von der der entsprechenden Nut 32 im Zwischenglied 30 leicht
abweicht. Durch Zurückhalten
Halten der Kugeln in einem Käfig
und federndes axiales Auseinanderspannen der Nuten, oder durch federndes
Vorspannen des Antriebsglieds und des Abtriebsglieds auseinander,
ist es möglich,
jeden Schlupf aufzuheben.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, die Spiralnuten in einer Laufrille mit einer Steigung
zu formen, die von der der Nuten in der anderen Laufrille leicht
abweicht, und zwei Kugeln in jedes Paar Nuten anzuordnen, die durch
Federn auseinander vorgespannt werden, um Schlupf zu beseitigen.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, das Zwischenglied als eine radial flexible Schale
zu formen, wobei Schlupf beseitigt werden kann, indem die Kugeln
zwischen dem Zwischenglied und den Kugellaufrillen radial eingespannt
werden.
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In
noch einer anderen Möglichkeit,
die in 10 gezeigt wird, können die
inneren und äußeren Kugellaufrillen 14, 26, 30 mit
Nuten 20, 28, 32 spanend bearbeitet sein,
die denselben Spiralwinkel aufweisen, wobei eine der Nuten 20", 28" in der inneren
oder äußeren Laufrille
aber auf einer getrennten Komponente 74 geformt sein kann.
Die Federvorspannung dieser getrennten Komponente 74 in
die Axialrichtung beseitigt dann Schlupf vom Kugelsatz.