DE10016103A1

DE10016103A1 - Variable Ventilsteuerung

Info

Publication number: DE10016103A1
Application number: DE10016103A
Authority: DE
Inventors: Rainer Wurms; Stefan Dengler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-04
Also published as: ES2256231T3; US6715456B2; EP1268988A1; JP2003529708A; DE50109157D1; EP1268988B1; US20030037739A1; WO2001075279A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb für Hubkolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, mit zumindest einem Nocken einer im Zylinderkopf drehbar gelagerten Nockenwelle, welcher Nocken über ein in einem Kulissenteil entlang einer Verstellrampe verschiebbar geführtes Rollenpaket und einem nachgeschalteten Ventilbetätigungselement ein Hubventil betätigt, wobei der Ventilhub durch Verschieben des Kulissenteils relativ zum Nocken variabel einstellbar und das Rollenpaket gegen den Nocken federnd vorgespannt ist. Zur Erzielung eines robusten und gleichmäßige Ventilbeschleunigungen aufweisenden Ventiltriebs ist zwischen dem Nockengrundkreis und dem Ventilbetätigungselement ein eine Erregungsbewegung des Rollenpaketes ermöglichender Leerweg s vorgesehen. Bevorzugt ist das Ventilbetätigungselement als ein zweiteiliger Schwinghebel mit einer Wippenfunktion ausgebildet und weist das Kulissenteil eine Kulissenführung mit einer zusätzlichen Vorbeschleunigungsrampe für das Rollenpaket auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine variable Ventilsteuerung für Hubkolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentan spruches 1.

Eine derartige variable Ventilsteuerung zeigt beispielsweise die DE 42 23 173 A1, bei der ein im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine verstellbares Kulissenteil mit einer Verstellrampe und einer Rolle zwischen dem Nocken einer Nockenwelle einerseits und dem Tassenstößel am Schaftende eines Hubventiles andererseits geschaltet ist. Durch Verschieben des Kulissentei les relativ zum Nocken können sowohl ein Vollhub als auch Teilhübe bis ge gen Nullhub gesteuert werden. Dabei erfolgt bei Vollhub eine Ventilbetäti gung, die sich hinsichtlich Ventilerhebung und Geschwindigkeitsprofil aus der Geometrie des Nockens und der Verstellrampe ergibt und die entsprechend optimiert sein kann. Bei Teilhub allerdings resultiert zunächst ein Leerhub (= Erregungsbewegung) und anschließend der Teilhub (= Erzeugungsbewegung), wobei hier ein zeitlich späterer Nockenbereich zur Wirkung gelangt, der zwangsläufig ein anderes Geschwindigkeitsprofil bzw. ggf. hohe, ruckartige Ventilbeschleunigungen verursachen kann. Dies gilt sowohl für die Ventilöffnung (Anlauframpe) als auch für die Schließung des Ventils (Ablauframpe).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine variable Ventilsteuerung der gattungsge mäßen Art zu schaffen, die große Ventilhubänderungen bei einer weitge hendst ruckfreien Ventilbetätigung ermöglicht und die robust aufgebaut und kostengünstig fertigbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zwischen den Nocken und dem Ven tilbetätigungselement, insbesondere einem Schwinghebel, einen Leerweg einzuschalten, der sowohl bei Vollhub als auch bei den den Teilhüben des Hubventils eine Vorbeschleunigung (Erregungsbewegung) des Rollenpake tes bewirkt, so dass die Erzeugungsbewegung (Öffnungsbewegung) des Hubventils mit positiver und negativer gewünschter Ventilbeschleunigung im wesentlichen durch die Verstellrampe des Kulissenteils gesteuert ist. Diese von der geometrischen Auslegung von Nocken und Verstellrampe ausge führte Abkopplung von Erregungsbewegung und Erzeugungsbewegung schafft weitgehendst unabhängig vom eingestellten Ventilhub ein Geschwin digkeitsprofil ohne erhöhte Beschleunigungsspitzen und damit verbunden einen robusten und hinsichtlich Verschleiß und Betätigungsgeräusche ver besserten Ventiltrieb.

Die Anordnung des Ventiltriebs gemäß den Merkmalen des Patentanspru ches 3, ermöglicht zudem größere Ventilhübe bzw. einen größeren Hubver stellbereich aufgrund des Einsatzes eines Schwinghebels mit den damit ver bundenen günstigeren Hebelübersetzungen und aufgrund der allgemeinen Anordnung der Verstellrampe etwa senkrecht zur Nockendrehachse, die ge ringere seitliche Auswanderungen des Rollenpaketes insbesondere bei der Erregungsbewegung verursachen. Dabei kann die Anlauffläche des Schwinghebels für das Rollenpaket parallel zur Verschieberichtung des Ku lissenteils ausgerichtet sein.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Verstellrampe des Kulissenteils in einer schlitzförmigen Kulissenführung ausgebildet, deren gegenüberliegende Führungsfläche eine Vorbeschleunigungsrampe in der Erregungsbewegung des Rollenpaketes bildet, die einen ruckfreien Über gang in den Anlauframpen-Abschnitt der Verstellrampe zur Erzeugungsbe wegung darstellt. Daraus resultiert ein sanftes, gleitendes Aufsetzen des Rollenpaketes auf den Schwinghebel mit anschließend übergangsloser Er zeugungsbewegung.

Das Rollenpaket kann vorteilhaft mittels zumindest einer einfachen Schen kelfeder gegen den Nocken vorgespannt sein. Die Schenkelfeder kann be vorzugt an dem Kulissenteil mit dem einen Schenkel abgestützt sein und wirkt mit einem zweiten, verlängerten Schenkel auf das Rollenpaket, dieses gegen den Nocken vorspannend.

Insbesondere bei der Verwendung eines hydraulischen Ventilspielaus gleichselements im Ventiltrieb kann es vorteilhaft sein, wenn der Schwinghe bel in der Schließstellung des Hubventils an einem Anschlag des Kulissen teils anliegt. Dabei kann das Rollenpaket aufgrund der Vorspannung der Schenkelfeder vom Schwinghebel abheben - wodurch ein ständiger Kontakt zwischen dem Rollenpaket und dem Nocken hergestellt ist - und es kann über das Ausgleichselement eine Spielfreiheit zwischen dem Schwinghebel, dem Kulissenteil und dem Ventilschaft hergestellt sein.

Bevorzugt ist zur Erzielung einer steifen und eine hohe Auslegungsgenauig keit herstellenden Konstruktion der Schwinghebel über zumindest eine Schwinghebelachse schwenkbar im Zylinderkopf gelagert. Dabei könnte dann das hydraulische Ventilspiel-Ausgleichselement an dem mit dem Schaftende des Hubventiles zusammenwirkenden Ende des Schwinghebels angeordnet sein. Bevorzugt wird jedoch vorgeschlagen, einen zumindest zweiteiligen Schwinghebel zu verwenden, dessen einer Schwinghebelteil schwenkbar gelagert ist, während dessen zweiter Schwinghebelteil ähnlich einer Wippe einerseits an dem hydraulischen Ventilspielausgleichselement und andererseits an dem Schaftende des Hubventiles abgestützt ist, wobei die beiden Schwinghebelteile dazwischenliegend trieblich miteinander ver bunden sind (mittels eines quer verlaufendem Mitnehmers oder einer Bolzengelenkverbindung).

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzel heiten naher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen variablen Ventiltrieb im Zylinderkopf einer Hubkolben-Brennkraftmaschine entlang der Linie I-I der Fig. 2, mit einem Nocken, einem verschiebbaren Kulissenteil, einem Rollen paket und einem auf ein Hubventil wirkenden Schwinghebel;

Fig. 2 eine Ansicht gemäß Pfeil X der Fig. 1 auf den Ventiltrieb;

Fig. 3 eine Seitenansicht des zwischen dem Kulissenteil und dem Hubventil angeordnetem zweiteiligen Schwinghebels;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Schwinghebel gemäß Fig. 3;

Fig. 5 Grafiken des Ventiltriebs bei Vollhub; und

Fig. 6 die gleichen Grafiken bei Teilhub des Hubventiles.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 10 eine Nockenwelle bezeichnet, die drehbar in einem nur teilweise dargestellten Zylinderkopf 12 einem mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschine gelagert ist und Nocken 14 zur Betätigung von Einlass-Hubventilen trägt, wobei nur ein Hubventil bzw. dessen Vertil schaft 16 dargestellt ist.

Zur Erzielung eines variablen Ventiltriebs ist im Zylinderkopf 12 ein Kulis senteil 18 über Passbohrungen 20 auf ortsfesten Führungsbolzen 22 ver schiebbar angeordnet. Das Kulissenteil 18 kann mittels einer nicht darge stellten Verstelleinrichtung (z. B. eine Exzenterwelle, die hydraulisch oder elektrisch verstellt wird) in Richtung des Doppelpfeiles 24 verstellt werden.

Das etwa U-förmige Kulissenteil 18 mit einer Basiswand 56 weist in den seit lichen Schenkeln 26,28 je eine Kulissenführung mit einer Verstellrampe 30 und einer Vorbeschleunigungsrampe 32 auf.

In die nach oben offene, schlitzförmige Kulissenführung 30,32 ist ein Rollen paket 34 verschiebbar eingesetzt. Das Rollenpaket 34 weist eine mittlere Rolle 34a auf (Fig. 2), die an dem Nocken 14 anläuft. Links und rechts dazu benachbart sind zwei weitere Rollen 34b, 34c, vorgesehen, die an den An laufflächen 36a, 36b eines Schwinghebels 36 abwälzen, wobei die besagten Rollen rollengelagert auf einem Übertragungsbolzen 34d angeordnet sind, der mit den besagten Rampen 30,32 zusammenwirkt.

Der Schwinghebel 36 setzt sich aus einem ersten, H-förmigen Schwinghe belteil 40 und einem dazwischen liegenden Schwinghebelteil 42 zusammen, die wie folgt angeordnet sind:

Der erste Schwinghebelteil 40 ist einerseits über Lagerbohrungen 44 auf ortsfesten Schwinghebelachsen 46 schwenkbar gelagert und trägt die An laufflächen 36a, 36b für die Rollen 34b, 34c des Rollenpaketes 34. Ferner weist der Schwinghebelteil 40 einen querverlaufenden Mitnehmer 48 auf, der auf den dazwischen angeordneten zweiten Schwinghebelteil 42 nach Art ei ner Wippe wirkt.

Der zweite Schwinghebelteil 42 stützt sich einerseits über eine Kugelpfanne 50 an einem einen entsprechenden Kugelkopf aufweisendem Ventilspiel- Ausgleichselement 52 ab, das im Zylinderkopf 12 wie dargestellt angeordnet ist. Dessen anderes Ende trägt einen Mitnehmer 53, der mit dem Schaftende des Hubventiles 16 zusammenwirkt.

Durch die beschriebene Anordnung wird eine exakte Ventilbetätigung mit ruhendem Ventilspielsausgleichselement 52 (geringere bewegte Massen) geschaffen.

Wie insbesondere aus der Fig. 1 ersichtlich ist, liegt die Verstellrampe 30 insgesamt gesehen etwa senkrecht zur Verstellrichtung 24 des Kulissenteiles 18 und wirkt das Rollenpaket 34 auf den Schwinghebel 36, wobei dessen Anlaufflächen 36a, 36b parallel zur Verstellrichtung 24 ausgerichtet sind. Der Schwinghebel 36 liegt dabei im wesentlichen unterhalb der Nockenwellen- Drehachse 10a zwischen dem tangential zum Nocken 14 verstellbaren Kulis senteil 18 und dem Hubventil 16.

Der Schwinghebel 36 (vgl. Fig. 3 und 4) bzw. dessen Schwinghebelteil 40 liegt in der gezeichneten Position gemäß Fig. 1 und 2 (entspricht dem Voll hub) bei geschlossenem Hubventil 16 an einem Anschlag 54 der Basiswand 56 des Kulissenteils 18 an, wobei der Schwinghebel 36 insgesamt über das Ventilspielausgleichselement 52 spielfrei gehalten ist.

In dieser Position weist das Rollenpaket 34 einen Leerweg s auf, betrachtet zwischen den Anlaufflächen 36a, 36b des Schwinghebels 36 und dem Grundkreis 14b des Nockens 14.

Dieser Leerweg s führt zu einem Abheben des Rollenpaktes 34 von den An laufflächen 36a, 36b des Schwinghebels 36, weil zwei im Kulissenteil 18 fest gelegte Schenkelfedern 56 mit ihrem einen Schenkel 56a jeweils das Rollen paket 34 federnd gegen den Nocken 14 vorspannen. Die Schenkel 56a greifen dabei, wie aus der Fig. 2 ersichtlich, jeweils zwischen der mittleren Rolle 34a und den beiden benachbarten Rollen 34b, 34c am Übertragungs bolzen 34d an, während sich ihr zweiter Schenkel 56b am Kulissenteil 18 abstützt.

Damit wird bei einer Ventilbetätigung zunächst das Rollenpaket 34 in einer Erregungsbewegung im Bereich des Leerweges s vorbeschleunigt, wobei dieser Leerweg s bei abnehmendem Ventilhub (Verstellung des Kulissenteils 18 auf der Fig. 1 der Zeichnung nach rechts) entsprechend zunimmt.

Diese Erregungsbewegung des Rollenpaketes 34 nimmt durch die darge stellte Form der Vorbeschleunigungsrampe 30 zu, bis sich der Übertra gungsbolzen 34d auf den Anlauframpen-Abschnitt 30a der Verstellrampe 30 verlagert, wobei er gleichzeitig über die Rollen 34b, 34c auf die Anlaufflächen 36a, 36b des Schwinghebels 36 aufläuft und in der weiteren Erzeugungsbe wegung das Hubventil 16 betätigt. Der Abschnitt 30a erläuft dabei im we sentlichen etwa tangential zum Nocken 14 bzw. dessen An- und Ablauf rampe.

Beim Schließen des Hubventiles 16 wiederum gerät schließlich der Schwinghebel 36 an den Anschlag 54, dann hebt das Rollenpaket 34 vom Schwinghebel 36 ab, im Rahmen des gerade vorliegenden Leerweges s.

Die geometrische Auslegung des Nockens 14 und der Verstellrampen 30, 32 im Kulissenteil 18 sind anhand der Grafiken gemäß Fig. 5 und 6 näher er läutert.

Dabei zeigt die Fig. 5 die Bewegungskurven bei einem Vollhub und die Fig. 6 die Bewegungskurven bei einem Teilhub des Hubventiles 16. Die senkrecht eingezeichneten Linien bezeichnen den jeweiligen Ventilhub s_V.

Die Kurve a entspricht der Verstellbewegung des Rollenpaketes 34, wobei die Anteile der Erregungsbewegung dem Leerweg s des Rollenpaketes 34 entsprechen. Als wesentlich der vorliegenden Erfindung ist zu sehen, dass auch bei Vollhub (Fig. 5) ein Leerweg s vorliegt, der den Anfangspunkt der Erzeugungsbewegung (Ventilbetätigung) auf den Ast zwischen b und c der Kurve a legt, der etwa einer gleichmäßigen Ventilbeschleunigung entspricht.

Die Kurve d beschreibt die geometrische Auslegung der Verstellrampe 30, die in Verbindung mit der Auslegung der Kurve a die tatsächliche Ventilerhe bung gemäß Kurve e über den Ventilhub s_V ergibt. Die weitere Kurve f be schreibt den Verlauf der Ventilbeschleunigung, wobei bemerkenswert ist, dass die Beschleunigungsspitzen bei Vollhub (Fig. 5) und Teilhub (Fig. 6) etwa gleich sind.

Der beschriebene Ventiltrieb ermöglicht somit "füllige" Ventilerhebungskur ven e für den Vollhub der Hubventile 16, ohne erhöhte Beschleunigungsspit zen bei Teilhub.

Claims

1. Variabler Ventiltrieb für Hubkolbenmaschinen, insbesondere Brennkraft maschinen, mit zumindest einem Nocken einer in einem Zylinderkopf drehbar gelagerten Nockenwelle, welcher Nocken über ein in einem Ku lissenteil entlang einer Verstellrampe verschiebbar geführtes Rollenpaket und einem nachgeschalteten Ventilbetätigungselement ein Hubventil be tätigt, wobei der Ventilhub durch Verschieben des Kulissenteils relativ zum Nocken variabel einstellbar und das Rollenpaket gegen den Nocken federnd vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen No ckengrundkreis (14b) und Ventilbetätigungselement (36) ein eine Erre gungsbewegung des Rollenpaketes (34) ermöglichender Leerweg (s) vorgesehen ist.

2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erre gungsbewegung des Rollenpaketes (34) der Anfangsbeschleunigung und der Endverzögerung der Kontur des Nockens (14, Fig. 5, Kurve a, Leer weg s) entspricht.

3. Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellrampe (30) insgesamt etwa senkrecht zur Verstellbewegung (Doppelpfeil 24) des Kulissenteils (18) ausgerichtet ist und dass das Rol lenpaket (34) auf einen einerseits beweglich abgestützten Schwinghebel (36) wirkt, der im wesentlichen unterhalb der Nockenwellen-Drehachse (10a) zwischen dem tangential zum Nocken (14) verstellbaren Kulissen teil (18) und dem Schaftende des Hubventils (16) angeordnet ist.

4. Ventiltrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellrampe (30) einen nahezu tangential zum Nocken (14) verlaufenden Anlauframpen-Abschnitt (30a) aufweist.

5. Ventiltrieb nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufflächen (36a, 36b) des Schwinghebels (16) für das Rollenpaket (34) parallel zur Verschieberichtung (24) des Kulissenteiles (18) ausge richtet ist.

6. Ventiltrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellrampe (30) in einer schlitzförmigen Ku lissenführung ausgebildet ist, deren gegenüberliegende Führungsfläche eine Vorbeschleunigungsrampe (32) für die Erregungsbewegung (Leer weg s) des Rollenpaketes (34) bildet.

7. Ventiltrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rollenpaket (34) mittels zumindest einer Schenkelfeder (56) gegen den Nocken (14) vorgespannt ist.

8. Ventiltrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumin dest eine Schenkelfeder (56) mit ihrem einen Schenkel (56b) unmittelbar an den Kulissenteil (18) gehalten ist.

9. Ventiltrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinghebel (36) in der Schließstellung des Hubventiles (16) an einem Anschlag (54) des Kulissenteils (18) anliegt.

10. Ventiltrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kulissenteil (18) über entsprechende Passboh rungen (20) an am Zylinderkopf (12) befestigten Führungsstiften (22) ge führt ist.

11. Ventiltrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinghebel (36) über eine oder mehrere Schwinghebelachsen (46) schwenkbar gelagert ist.

12. Ventiltrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinghebel (36) zumindest zweiteilig ausge bildet ist, wobei der erste Schwinghebelteil (40) schwenkbar über die Schwinghebelachsen (46) gelagert ist und die Anlaufflächen (36a) für das Rollenpaket (34) aufweist und trieblich mit einem zweiten, parallel dazu angeordnetem Schwinghebelteil (42) zusammenwirkt, der einerseits an einem hydraulischen Ventilspielausgleichselement (52) schwenkbar ab gestützt und andererseits an dem Schaftende des Hubventiles (16) an greift.

13. Ventiltrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwinghebelteil (40) H-förmig mit zwei Hebelabschnitten mit Anlaufflä chen (36a) und einem auf den zweiten Schwinghebelteil (42) wirkenden, querverlaufenden Mitnehmer (48) ausgebildet ist und dass der zweite Schwinghebelteil (42) zwischen den beiden Hebelabschnitten des ersten Schwinghebelteils (40) verläuft.