Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer hydraulischen Stelleinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der US-PS 3 516 331 ist eine hy¬ draulische Stelleinrichtung mit einem Differentialzylinder bekannt, dessen der größeren wirksamen Druckfläche des Differentialkolbens zugeordneter Druckraum über ein 3/2-Wegeventil angesteuert wird. Über entsprechendes Takten des 3/2-Wegeventils kann eine Druck¬ differenz in den beiden Druckräumen erzeugt werden, die eine Ver¬ stellbewegung hervorruft. Eine derartige hydraulische Stellein¬ richtung hat den Nachteil, daß bei stationärem, d. h. unbewegtem, Differentialkolben in den Druckräumen relativ hohe Drücke anstehen, die nicht oder nur wenig kleiner als die Verstelldrücke sind. Da¬ durch ist in der Halteposition (stationäre Stellung) des Differen¬ tialkolbens ein hoher Energieaufwand nötig, der im Betrieb der hy¬ draulischen Stelleinrichtung zu hohen Kosten führen kann.

Aus der DE-OS 40 37 824 ist eine hydraulische Stelleinrichtung be¬ kannt, bei der diese Nachteile vermieden werden. Bei dieser be¬ kannten hydraulischen Stelleinrichtung wird der an der großen

Kolbenfläche eines Differentialzylinders angeordnete Druckraum über ein elektromagnetisch betätigbares Steuerventil angesteuert. Dieses Steuerventil ist so ausgebildet, daß es in seiner Mittelstellung negative Überdeckung hat. Es wird so angesteuert, daß die Drücke in den Druckräumen des Differentialkolbens annähernd konstant bleiben und daß die Haltedrücke bei stationärer Stellung des Differential¬ kolbens wesentlich kleiner sind als die Verstelldrücke. Eine der¬ artige hydraulische Stelleinrichtung wird beispielsweise eingesetzt, um in einer Brennkraftmaschine eine Einrichtung zur Verstellung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle zu betätigen (DE-OS 36 16 234). Um in den Endstellungen des Steuerventils den jeweiligen druck- führenden Anschluß gegen den Rücklaufanschluß sicher abzudichten, sind bei diesen Steuerventilen zum Teil enge und lange Führungs¬ spalte für das Ventilglied notwendig. Dadurch sind diese Steuer¬ ventile unter Umstanden schmutzempfindlich, d. h. bei verschmutztem Druckmittel (Motoröl der Brennkraftmaschine) kann die Ventilfunktion beeinträchtigt werden. Darüber hinaus sind derartige Steuerventile aufgrund der notwendigen geringen Toleranzen aufwendig zu fertigen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße hydraulische Stelleinrichtung mit den kenn¬ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vor¬ teil, daß sie mit geringen Verlusten arbeitet, wenn keine Verstell¬ bewegung des Differentialkolbens erfolgt, daß sie einfach aufgebaut ist und daß die Verschmutzungsempfindlichkeit des Steuerventils ge¬ ring ist.

Weitere Vorteile der Erfindung und vorteilhafte Weiterbildungen er¬ geben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in Fi¬ gur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der hydraulischen Stellein¬ richtung in vereinfachter Darstellung. Figur 2 zeigt die Pumpe der hydraulischen Stelleinrichtung in vereinfachter Darstellung und Fi¬ gur 3 das Steuerventil der hydraulischen Stelleinrichtung im Längs¬ schnitt. Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der hydrau¬ lischen Stelleinrichtung in vereinfachter Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist mit 10 eine hydraulische Stelleinrichtung bezeichnet, die einen Differentialzylinder 11 mit Differentialkolben 12, 13 auf¬ weist. Der Druckraum 14 an der großen Kolbenfläche des Differential¬ kolbens 12 ist über eine Druckleitung 15 mit einem Pumpenarbeitsraum 16 einer - in Figur 2 näher dargestellten - Pumpe 17 verbunden. Der Druckraum 18 an der kleineren wirksamen Kolbenfläche des Differen¬ tialkolbens 12 ist über eine Druckleitung 19 mit einem weiteren, gegensinnig zum ersten Pumpenarbeitsraum 16 wirkenden, Pumpen¬ arbeitsraum 20 der Pumpe 17 verbunden.

Der Pumpenarbeitsraum 16 wird über eine in die Druckleitung 15 mündende Versorgungsleitung 21 mit Druckmittel versorgt. In diese

Versorgungsleitung 21 ist ein Rückschlagventil 22 eingesetzt, das bei Druckmittelströmung von der mit P bezeichneten Druckmittel-

M quelle zum Pumpenarbeitsraum 16 öffnet. Auf analoge Weise ist der

Pumpenarbeitsräum 20 über eine in die Druckmittelleitung 19 mündende

Versorgungsleitung 24 mit Rückschlagventil 25 mit der Druckmittel- guelle P verbunden. Bei der Druckmittelquelle P handelt es M M

sich beispielsweise um eine Einrichtung zur Druckmittel- bzw. Schmiermittelversorgung einer Brennkraftmaschine.

In den Druckleitungen 15 bzw. 19 ist jeweils zwischen Versorgungs¬ leitung 21 bzw. 24 und dem Druckraum 14 bzw. 18 ein Rückschlagventil 26 bzw. 27 angeordnet, das bei einer Druckmittelströmung vom Pumpen¬ arbeitsraum zum Druckraum öffnet.

Von der Druckleitung 15 zweigt zwischen dem Rückschlagventil 26 und dem Druckraum 14 eine Steuerleitung 29 ab, die mit einem Anschluß 30 eines - in Figur 3 näher dargestellten - Steuerventils 31 verbunden ist. Bei dem Steuerventil 31 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein 3/2-Sitzventil, von dessen zweitem Anschluß 32 eine Steuer¬ leitung 33 ausgeht, die in die Druckleitung 19 - zwischen Rück¬ schlagventil 27 und Druckraum 18 - mündet. Der dritte Anschluß des Steuerventils ist als Rücklauf 34 ausgebildet und mit einem Behälter 35 verbunden.

Bei der in Figur 2 schematisch dargestellten Pumpe 17 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um eine Radialkolbenpumpe mit gegen¬ sinnig arbeitenden Kolben, die über eine Antriebswelle 36 beispiels¬ weise von der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors angetrieben wer¬ den. Beim Einsatz der hydraulischen Stelleinrichtung z. B. zur Ver¬ stellung der Nockenwelle eines Kraftfahrzeuges relativ zu dessen Kurbelwelle (DE-OS 36 16 234) kann als Antriebswelle der Pumpe auch direkt die Nockenwelle genutzt werden. Die zwei Pumpenarbeitsräume 16 und 20 sind um 180° gegeneinander versetzt angeordnet, ihre Kol¬ ben 37 bzw. 38 werden über einen auf der Antriebswelle 36 angeordne¬ ten Exzenter 40 angetrieben.

Das in Figur 3 dargestellte Steuerventil 31 hat ein etwa topfförmi- ges Gehäuse 41, in dessen Boden 42 eine mittige Bohrung 43 ange¬ ordnet ist. Vom Boden 42 gehen zwei hülsenförmige Fortsätze 44, 45 aus, von denen der Fortsatz 44 ins Innere des Gehäuses 41 ragt und der Fortsatz 45 in die entgegengesetzte Richtung weist. Die Fort¬ sätze 44, 45 sind so bemessen, daß ihre Innenräume zusammen mit der Bohrung einen zylinderförmigen Ventilraum 46 ausbilden.

Von der freien Stirnseite des Fortsatzes 45 geht eine Vertiefung 48 aus, die durch einen an der Stirnseite anliegenden Deckel 49 ein¬ seitig verschlossen ist. Die Vertiefung 48 reicht bis an eine Hülse 47 heran, die in den Ventilraum 46 eingesetzt, und aus einem nicht¬ magnetischen Material gefertigt ist. Die Hülse 47 und der Fortsatz

45 werden von einer Querbohrung 50 durchdrungen, die mit dem Rück¬ lauf 34 des Steuerventils verbunden ist und über die der Ventilraum

46 mit dem Behälter 35 verbunden ist.

Das Gehäuse 41 ist von einem Zylindermantel 51 aus unmagnetischem Werkstoff umgeben, der das Gehäuse nach oben überragt und durch einen Deckel 52 verschlossen ist, so daß ein Ankerraum 53 ausge¬ bildet ist.

In das Innere des Gehäuses 41 ist eine Magnetspule 54 eingesetzt, die den hülsenförmigen Fortsatz 44 umfaßt, und deren Innendurch¬ messer größer als dessen Außendurchmesser ist. In den zwischen Mag¬ netspule 54 und Fortsatz 44 gebildeten Ringraum 55 ist eine Druck¬ feder 56 eingesetzt, deren eines Ende am Boden 42 des Gehäuses und deren anderes Ende an einem scheibenförmigen Flachanker 57 anliegt, der im Ankerraum 53 angeordnet ist.

Dieser Flachanker 57 wirkt mit einem im wesentlichen zylinder- förmigen Ventilglied 59 zusammen, das in der Hülse 47 geführt ist. Die Länge des Ventilgliedes 59 ist geringer als der Abstand der Deckel 49 und 52. Das Ventilglied 59 durchdringt den Flachanker 57 mittig und ist fest mit diesem verbunden. An der dem Deckel 52 zuge¬ wandten Stirnseite hat das Ventilglied einen Absatz 60 geringeren Durchmessers. Die freie Stirnseite 61 des Absatzes 60 wirkt mit einer als Ventilsitz ausgebildeten Bohrung 62 im Deckel 52 zusammen, die mit der Steuerleitung 33 verbunden ist.

Um das Ventilglied 59 herum wird der Flachanker 57 von mehreren, re¬ gelmäßig angeordneten Bohrungen 65 durchdrungen, die der Druck¬ mitteldurchführung dienen.

Das Ventilglied 59 ragt mit seinem dem Deckel 49 zugewandten Ende bis in die Vertiefung 48 und hat dort einen Absatz 66 geringeren Durchmessers, dessen Stirnseite 67 mit einer als Ventilsitz aus¬ gebildeten Bohrung 68 im Deckel 49 zusammenwirkt. Die Bohrung 68 dient als erster Anschluß 30 des Steuerventils 31 und ist mit der Steuerleitung 29 verbunden.

Das Ventilglied 59 hat einen innerhalb der Hülse 47 befindlichen Ab¬ schnitt 70 geringeren Durchmessers, so daß zwischen diesem und der Hülse 47 ein Ringraum 71 ausgebildet ist. Die äußeren Abschnitte 72 und 73 größeren Durchmessers führen das Ventilglied 59 in der Hülse 47 und haben zur Druckmitteldurchführung dienende abgeflachte Be¬ reiche 74 bzw. 75, an denen Druckmittel vorbeiströmen kann.

Die hydraulische Stelleinrichtung 10 ist beispielsweise in einer Einrichtung zur stetigen Verstellung der Nockenwelle einer Brenn¬ kraftmaschine relativ zu deren Kurbelwelle eingesetzt, wodurch eine Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Wellen erzeugt wird.

Eine Verschiebung des Differentialkolbens 12, 13 nach links (Figur 1) erzeugt in dieser Einrichtung eine Verstellung der Nockenwelle nach "spät", d. h. zu einer späten Drehlage bzw. später Ventilbetä¬ tigung. Eine Verstellung des Differentialkolbens nach rechts erzeugt demzufolge eine Verstellung nach "früh" bzw. früher Drehlage und früher Ventilbetätigung.

Bei der in Figur 1 dargestellten Schaltstellung des stromlosen Steuerventils 31 ist die Steuerleitung 29 mit dem Behälter 34 ver¬ bunden, während die Steuerleitung 33 durch das Steuerventil 31 ein¬ seitig verschlossen ist. In dieser Schaltstellung liegt der in Figur 3 dargestellte Absatz 60 des Ventilgliedes 59 aufgrund der Wirkung der Druckfeder 56 an der mit der Steuerleitung 33 verbundenene Bohrung 62 an und verschließt diese. Gleichzeitig kann Druckmittel von der Steuerleitung 29 durch die Bohrung 68 in die Vertiefung 48 gelangen. Von dort besteht eine Verbindung zur Querbohrung 50 und damit zum Behälter 35, und zwar über den Raum zwischen Hülse 47 und den abgeflachten Bereichen 74 des Abschnittes 72 und über den Ring¬ raum 71. Damit ist die Druckleitung 15 und somit auch der Druckraum 14 des Differentialzylinders 11 zum Behälter 34 entlastet, während der Druckraum 18 von der Pumpe 17 über den Pumpenarbeitsraum 20 mit Druck beaufschlagt wird. Der Differentialkolben 12, 13 wird nach links bewegt.

Soll der Differentialkolben 12, 13 nach rechts bewegt werden, wird das Steuerventil 31 durch entsprechende Ansteuerung der Magnetspule 54 in die zweite Schaltstellung geschaltet, so daß der Absatz 66 des Ventilgliedes 59 die Bohrung 68 und damit die Steuerleitung 29 ein¬ seitig verschließt. Dadurch ist dann die gegenüberliegende Bohrung 62 über den Ankerraum 53, den Raum zwischen Hülse 47 und den Ab¬ flachungen 75 des Abschnittes 73 sowie über den Ringraum 71 mit der Querbohrung 50 bzw. dem Rücklauf 34 und dem Behälter 35 verbunden.

In dieser Schaltstellung ist die Druckleitung 19 und damit der Druckraum 18 zum Behälter 35 entlastet, während der Druckraum 14 von der Pumpe 17 über den Pumpenarbeitsraum 16 und die Druckleitung 15 mit Druck beaufschlagt wird.

Eine st tionäre Stellung des Differentialkolbens 12, 13 wird durch entsprechend getaktetes oder proportionales Ansteuern des Steuer¬ ventils 31 erreicht, wobei in der Steuerleitung 29 und damit im Druckraum 14 ein Druck eingestellt wird, der gerade ausreicht, die (von der VerStelleinrichtung einwirkende) Rückstellkraft des Differentialkolbens auszugleichen. Die Haltedrücke in dieser statio¬ nären Stellung des Differentialkolbens sind somit sehr viel geringer als die für eine (schnelle) Verstellbewegung benötigten Drücke.

Über entsprechende Ansteuerung der Magnetspule wird ebenfalls ge¬ währleistet, daß diese Haltedrücke auch bei sich ändernden Dreh¬ zahlen der Nockenwelle auf einem Niveau gehalten werden, das gerade ausreicht, die Rückstellkräfte aus der Einrichtung zur Verstellung der Nockenwelle aufzunehmen.

Durch die beschriebene Ausbildung der hydraulischen Stelleinrichtung und des Steuerventils 31 ist ein Motornotlauf der Brennkraftmaschine auch bei Ausfall des Steuerventils bzw. der Hydraulikversorgung ge¬ währleistet. Im nicht angesteuerten Zustand nimmt das Steuerventil 31 aufgrund der Wirkung der Feder 56 die in Figur 1 dargestellte Schaltstellung ein. Dadurch ist - wie zuvor beschrieben - der Druck¬ raum 18 mit Druck beaufschlagt, während der Druckraum 14 zum Be¬ hälter 35 entlastet ist. Damit wird der Differentialkolben nach links ("spät") verstellt. Bei Ausfall der Hydraulikversorgung wird der Differentialkolben 12, 13 aufgrund der mechanischen Rückstell¬ kraft aus der Einrichtung zur Verstellung der Nockenwelle nach links bewegt. In beiden Fällen ist aufgrund dieser Rückstellung zur späten Drehlage der Nockenwelle ein Motornotlauf gesichert.

Durch die beschriebene Ausbildung des Steuerventils 31 bzw. des Ventilgliedes 59 herrscht im Bereich der Führung des Ventilgliedes nur der Druck des Rücklaufes 34. Dadurch kann zum einen die wirksame Führungslänge für das Ventilglied klein gehalten werden, da keine Dichtfunktion gegen höhere Drucke notwendig ist. Andererseits tritt im Führungsbereich des Ventilgliedes keine große Druckdifferenz auf, durch die Schmutz in die Führungsspalte gefördert werden könnte. Um zu vermeiden, daß sich metallischer Abrieb durch die Wirkung magne¬ tischer Felder im Bereich des Ventilgliedes anlagert, ist die zur Führung dienende Hülse aus nichtmagnetischem Material gefertigt. Das Steuerventil 31 kann, wie in Figur 3 dargestellt, mit einem Flach¬ anker oder auch als Proportionalmagnetventil mit entsprechend ausge¬ bildetem magnetischem Kreis ausgeführt sein.

Um die Verstellgeschwindigkeit des Differentialkolbens über den ge¬ samten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine bzw. der Antriebswelle 36 konstant zu halten, kann das Steuerventil 31 als Druckregelventil verwendet werden. Durch entsprechende Dosierung der Magnetkraft (entsprechende Ansteuerung der Magnetspule) wird das Ventilglied dann nur so stark an den Ventilsitz gedrückt, wie es zur entsprech¬ enden Druckerzeugung notwendig ist. Dabei ist es vorteilhaft, das Steuerventil mit entsprechend ausgebildetem Magnetkreis als Propor¬ tionalmagnetventil auszubilden, da in Abhängigkeit von der Drehzahl der Antriebswelle die Verstellkräfte unterschiedlich sind. Um den Differentialkolben 12, 13 in stationärer Stellung zu halten, wird die Magnetspule 54 dann gerade so angesteuert, daß der Druck in der Steuerleitung 29 und damit im Druckraum 14 gerade den auf den Differentialkolben wirkenden Rückstellkräften das Gleichgewicht hält.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Ausführungsbeispiels der hydraulischen Stelleinrichtung ist die Pumpe 17 saugseitig ge¬ drosselt, z. B. über eine schlitzgesteuerte Ansaugdrosselung. Damit läßt sich ein Fördermengenverlauf realisieren, der über den gesamten Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine bzw. der Antriebswelle kon¬ stant ist. Die Auslegung der Pumpe bzw. der Ansaugdrosselung erfolgt so, daß der Beginn des Konstantförderbereiches (konstanter Förder¬ mittelstrom) mit der unteren Grenzdrehzahl des Arbeitsbereiches zu¬ sammenfällt (z. B. Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine). Die Förderrate der Pumpe ist auf die erforderliche Verstellgeschwindig¬ keit des Differentialzylinders abgestimmt. Das Steuerventil 31 ist dabei als einfaches Magnetventil mit Flachanker ausgeführt, da eine Druckregelfunktion - wie zuvor beschrieben - nicht erforderlich ist. Unabhängig davon kann die Verstellgeschwindigkeit des Differential¬ kolbens durch Takten des Magnetventils beeinflußt werden. Auch die Haltefunktion (stationäre Stellung des Differentialzylinders) kann durch entsprechende getaktete Ansteuerung des Steuerventils reali¬ siert werden. Um im Konstantförderbereich der Pumpe unterschiedliche Füllungen der Pumpenarbeits äume durch Schwankungen in der Druck¬ mittelzufuhr zu vermeiden, erfolgt die Druckmittelversorgung der Pumpe zweckmäßigerweise aus einem Reservoir (Behälter) .

Bei dem in Figur 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der hydraulischen Stelleinrichtung fördert eine Pumpe 17a in eine ge¬ meinsame Förderleitung 80, von der zwei Druckleitungen 81, 82 aus¬ gehen. Zur Umsteuerung des Pumpenförderstroms ist an die zwei Druck¬ leitungen 81, 82 jeweils ein druckgesteuertes Rückschlagventil 83, 84 angeschlossen. Das Rückschlagventil 83 ist ausgangsseitig mit der Druckleitung 15 und das Rückschlagventil 84 mit der Druckleitung 19 verbunden. Die Rückschlagventile 83, 84 sind so ausgebildet, daß sie

bei einer Druckmittelströmung von der Pumpe 16a zum Differential- zylinder 11 öffnen. Dazu sind die jeweiligen Ventilglieder 85, 86 durch je eine Druckfeder 87 bzw. 88 und zusätzlich durch den Druck in einer Steuerleitung 89 bzw. 90 beaufschlagt. Die Steuerleitung 89 am Rückschlagventil 83 ist andererseits mit der Druckleitung 19 ver¬ bunden, während die Steuerleitung 90 am Rückschlagventil 84 zur Druckleitung 15 führt.

Zwischen der Steuerleitung 90 und dem Rückschlagventil 83 ist in die Druckleitung 15 eine Drossel 91 eingesetzt. In die Druckleitung 19 ist ebenfalls eine Drossel 92 eingesetzt, und zwar zwischen dem Rückschlagventil 84 und der Steuerleitung 89.

Das Steuerventil 31 ist über die Steuerleitungen 29 und 33 mit den Druckleitungen 15 bzw. 19 verbunden, und zwar jeweils zwischen den zu den Rückschlagventilen führenden Steuerleitungen 90 bzw. 89 und dem Differentialzylinder 11.

In der gezeichneten Stellung des Steuerventils 31 und der Rück¬ schlagventile 83, 84 können bei zunächst druckloser Stelleinrichtung und anlaufender Pumpe 17a beide Rückschlagventile 83, 84 öffnen. In den Druckleitungen 81, 82 und in den Druckleitungen 15 und 19 baut sich vor den Drosseln 91 und 92 ein bestimmter Druck auf, der auch in der Druckleitung 19 hinter der Drossel 92 herrscht. Aufgrund der Entlastung der Druckleitung 15 zum Behälter über das Steuerventil 31 kann sich hinter der Drossel 91 kein derartiger Druck aufbauen.

Über die Steuerleitung 89 wirkt der in der Druckleitung 19 an¬ stehende Druck auch auf das Rückschlagventil 83, so daß aufgrund der zusätzlich wirkenden Kraft der Druckfeder 87 das Rückschlagventil 83 geschlossen wird. Durch den sich aufbauenden Druck im Druckraum 18 und aufgrund der Entlastung der Druckkammer 14 zum Behälter 35

wird der Differentialkolben nach links ("spät") bewegt.

Um eine Verstellung des Differentialkolbens nach rechts ("früh") zu erzeugen, wird das Steuerventil 31 durch entsprechende Erregung der Magnetspule in die zweite SchaltStellung bewegt, so daß die Druck¬ leitung 19 zum Behälter entlastet ist. Entsprechend zur zuvor be¬ schriebenen Schaltstellung wird dann das Rückschlagventil 84 in Schließstellung bewegt, so daß bei entlastetem Druckraum 18 und druckbelasteten Druckraum 14 eine Bewegung des Differentialkolbens nach rechts erfolgt.

Die Haltestellung (stationäre Stellung des Differentialkolbens) kann entweder durch entsprechend getaktete Ansteuerung des Steuerventils oder über eine Druckregelung bei teilerregter Magnetspule realisiert werden. Um die Verlustleistung der hydraulischen Stelleinrichtung zu begrenzen, sollte der Druckabfall an den Drosseln 91 bzw. 92 auf beispielsweise 5 bis 10 bar begrenzt werden.