DE10142346A1 - Getriebe, insbesondere für einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschnine - Google Patents

Abstract

Getriebe, insbesondere für einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, bestehend aus zumindest einer, um eine Drehachse (1a) drehbeweglich angordneten Welle (1) mit einer ersten Oberflächenkontur (2) und einer ortsfesten Kulisse (3) mit einer zweiten Oberflächenstruktur (4), sowie einer Rolle (5) mit zumindest einem Außendurchmesser (R1), die radial mit der ersten Oberflächenkontur (2) in einem ersten Berührpunkt (6) und mit der zweiten Oberflächenkontur (4) in einem zweiten Berührpunkt (7) in Kontakt steht, wobei die Lage der Berührungspunkte (6, 8) durch eine Verdrehung der Welle (1) veränderbar ist, wobei die erste Oberflächenkontur (2) derart ausgeformt ist, dass bei einer Verdrehung der Welle (1) an den Berührpunkten (6, 7) keine Gleitreibung auftritt. DOLLAR A Ein derart ausgelegtes Getriebe erlaubt hohe Flächenpressungen und ist in der Herstellung kostengünstig, da keine besonderen Härtemaßnahmen für die Oberflächen nötig sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Getriebe, insbesondere für einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Die Erfindung geht von der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 101 23 186 aus. In dieser ist eine Ventiltriebsvorrichtung zur variablen Hubverstellung eines Gaswechselventils für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Bei dieser steht das Gaswechselventil unter Zwischenschaltung eines Schlepphebels in Wirkverbindung mit einem Schwenkhebel. Der Schwenkhebel stützt sich auf dem Schlepphebel mit einer Steuerbahn mit einer Hubkurve und einer Leerhubkurve zur Hubbetätigung des Gaswechselventils ab. Der Schwenkhebel wird etwa mittig von dem Nocken einer Nockenwelle gegen die Federkraft einer Feder zur Betätigung des Hubventils geschwenkt. Die Schwenkachse ist der Mittelpunkt einer Rolle, die sich auf der der Steuerbahn gegenüberliegenden Seite befindet. Die Rolle stützt sich einerseits auf einer Kulisse und andererseits auf einer Exzenterwelle ab. Durch Verdrehen der Exzenterwelle wird der Rollenmittelpunkt entlang der Kulisse verschoben, wodurch der Ventilhub variiert wird.
• Um eine möglichst hohe Lebensdauer des Getriebes, bestehend aus der Rolle, der Exzenterwelle und der Kulisse, zu erreichen, werden diese bzw. deren Berühroberflächen aus hochwertigen Materialien gefertigt und speziellen Härteverfahren unterzogen. Die Verwendung von Sondermaterialien und die Durchführung von speziellen Härtemaßnahmen sind arbeits- und kostenintensiv.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellkosten für eine gattungsgemäße Ventiltriebsvorrichtung zu senken.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
• In vorteilhafter Weise können für die Ventiltriebsbauteile wie insbesondere die Rolle, die Kulisse und die (Steuer-)Welle Standardventiltriebswerkstoffe verwendet werden bzw. teure und aufwendige Oberflächenbehandlungen (Härtemaßnahmen) können entfallen. Somit werden die Herstellkosten für einen hubvariablen Ventiltrieb wesentlich gesenkt.
• Als weiterer Vorteil ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die maximal zulässige Flächenpressung zwischen Rolle, Kulisse und (Steuer-)Welle wesentlich erhöht, wodurch der Verschleiß, speziell in den Bewegungsumkehrpunkten beim Verstellvorgang, bei dem schlechte Schmierungsverhältnisse aufgrund geringer Relativgeschwindigkeiten und kurze Bewegungsstillstände vorliegen, minimiert und die zu erwartende Lebensdauer maximiert ist.
• Da bei der vorliegenden Ausgestaltung keine Gleitreibung auftritt, bedarf es für die Verdrehung der Welle 1 weniger Verstellkraft, da nur noch Rollreibung auftritt.
• Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 gestattet neben der reinen Kraftübertragung zusätzlich die Möglichkeit eines Übersetzungsverhältnisses. Sowohl eine Übersetzung als auch eine Untersetzung ist entsprechend der jeweiligen Paarung von Radius und Oberflächenkontur bzw. Oberflächenradius möglich. Durch Variation des Antriebsmoments für die Verstellung der Welle kann die Baugröße des Stellelements positiv beeinflusst werden und an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. Somit sind kleinere bzw. kompaktere Übersetzungsgetriebe möglich.
• Nach den Ansprüchen 4 bis 7 ist es möglich, der Kulisse nahezu jede beliebige Oberflächenkontur zu geben, wobei der Kulissenkrümmungsradius immer größer als der Rollenradius sein muss. Konstruktive und fertigungstechnische Vorteile können somit voll ausgenutzt werden, wodurch wiederum die Fertigungskosten gesenkt werden.
• Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen in zwei Figuren näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsvariante eines gattungsgemäßen Getriebes und
• Fig. 2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsvariante eines gattungsgemäßen Getriebes.
• Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines Getriebes für einen nicht näher dargestellten hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine in einem Koordinatensystem 11, wobei die Achsen dimensionslose Längen darstellen. Das Getriebe besteht aus einer Welle 1 mit einer ortsfesten Drehachse 1a, einer Rolle 5 mit einem Rollenmittelpunkt 5a und mit zwei Außendurchmessern R1 und R2 und einer Kulisse 3, im gezeigten Beispiel in Form eines Kreisbogens mit einem Krümmungsradius R3 und einem Mittelpunkt 4a. Die Welle 1 verfügt über eine nockenähnliche erste Oberflächenkontur 2 und ihre Drehachse 1a ist ortsfest in einem nicht dargestellten Zylinderkopf. Die Kulisse 3 verfügt über eine zweite Oberflächenkontur 4, hier ein Kreisbogen, und ist in den nicht dargestellten Zylinderkopf ortsfest eingearbeitet. Drehachse 1a und Kulisse 3 sind somit ortsfest zueinander. Die Rolle 5 ist Bestandteil eines angedeuteten Schwenkhebels 10, der die Hubbewegung eines nicht dargestellten Nockens auf ein nicht dargestelltes Gaswechselventil überträgt. Durch Verdrehen der Welle 1 rollt die Rolle 5 auf ihren ortsveränderlichen Berührpunkten 6 und 7 auf der ersten Oberflächenkontur 2 und der zweiten Oberflächenkontur 4 in der Zeichnungsebene ab, der Rollenmittelpunkt 5a bewegt sich dabei auf einer Bahnkurve 9. Der ständige Kontakt an den Berührpunkten 6 und 7 muss durch entsprechende Kraftrichtungen sichergestellt sein, es darf also kein Abheben stattfinden.
• Bei der hier dargestellten Getriebekonfiguration gibt es für eine geometrisch vorgegebene Kulisse 3 mit der zweiten Oberflächenkontur 4 genau eine erste Oberflächenkontur 2 (Nockenkontur) auf der Welle 1 mit der ortsfesten Drehachse 1a, bei der im ersten Berührpunkt 6 keine Gleitreibung auftritt. Diese Voraussetzung muss erfüllt werden, um eine kostengünstige Fertigung zu erreichen. Zur Berechnung der zweiten Oberflächenkontur (Nockenkontur) gelten folgende Voraussetzungen und Beziehungen:
  Drehachse 1a: Ursprung Koordinatensystem x, y
  Kulisse 3: ortsfest im Koordinatensystem x, y
  Rollenmittelpunkt 5a: beweglich entlang der Bahnkurve 9
  Abrollwinkel der Rolle 5 auf der Kulisse 3: α
  Verdrehwinkel der Rolle 5: ω
  Rollenverdrehwinkelgeschwindigkeit: ω'
  Verdrehwinkel der Welle 1: ε
  Wellenverdrehwinkelgeschwindigkeit: ε'
  Polarradius der ersten Oberflächenkontur 2: r(ξ)
• Für die Ermittlung der idealen ersten Oberflächenkontur 2 = r(ξ) müssen drei Bedingungen erfüllt sein:
  
• 1. Die Rolle 5 und die erste Oberflächenkontur 2 haben einen gemeinsamen ersten Berührpunkt 6.
• 2. Der erste Berührpunkt 6 muss auf einer Verbindungslinie zwischen dem Rollenmittelpunkt 5a und dem zweiten Berührpunkt 7 liegen (dargestellt durch eine Gerade 8), wobei die Drehachse 1a bzw. der zweite Berührpunkt 7 jeweils Momentanpol von der Rolle 5 bzw. der Welle 1 sind.
• 3. Die Momentangeschwindigkeit v₆ des ersten Berührpunktes 6 auf der Wellenseite (dargestellt durch einen Pfeil im ersten Berührpunkt 6) ist gleich dessen Abstand von der Wellendrehachse 1a, entsprechend r(ξ), multipliziert mit der Wellenverdrehwinkelgeschwindigkeit ε'.
  Dieselbe Momentangeschwindigkeit muss zu jeder Zeit ebenfalls der Berührpunkt 6 rollenseitig aufweisen, entsprechend der Multiplikation aus dem Abstand vom zweiten Berührpunkt 7 zum ersten Berührpunkt 6 und der Rollendrehgeschwindigkeit ω'.
  Die Rollenverdrehwinkelgeschwindigkeit ω' berechnet sich wiederum aus dem Abstand des Mittelpunkts 4a der zweiten Oberflächenkontur 4 zum Rollenmittelpunkt 5a, d. h. R1 + R2, geteilt durch den Rollendurchmesser R1 mal der Winkelgeschwindigkeit α'.
  Für die hieraus mit 1) und 2) folgende Gleichung r.ε' = f(α', α, ε) gibt es nun zwei Lösungsmöglichkeiten:
  • a) Der Verdrehwinkel ε ist vorgegeben, hieraus folgt für die dritte Bedingung:
    α' = f(R1, R2, x, y, R, α) → α(t), oder:
  • b) Der Abrollwinkel α ist vorgegeben, hieraus folgt wiederum für die dritte Bedingung:
    ε' = f(R1, R2, x, y, ε) → ε(t).
• Das Lösen einer der oben aufgeführten Differentialgleichungen führt zu einer Beziehung zwischen ε und α, aus der die erste Oberflächenkontur 2 folgt, d. h. sind der Verdrehwinkel ε und der Abrollwinkel α bekannt, so ist die erste Oberflächenkontur 2 definiert.
• In weiteren Ausführungsvarianten kann der Radius R3 der zweiten Oberflächenkontur 4 auch kleiner Null oder unendlich groß sein. Für einen Radius R3 kleiner Null ist die Kulisse 3 gegenüber der Welle 1 konkav. Diese Variante gestattet Getriebeauslegungen, deren Kulisse 3 mit der hier vorliegenden gespiegelt ist. Im Falle eines unendlich großen Radius R3 ist die zweite Oberflächenkontur 4 plan. Es ist auch möglich, den Radius R3 in Abhängigkeit von α zu gestalten, das bedeutet, dass eine beliebige Anzahl von Oberflächenkrümmungen aneinandergesetzt werden und somit eine ideal an die geometrischen Verhältnisse angepasste Oberflächenkontur der Kulisse 3 erzeugt werden kann, bzw. funktionelle oder fertigungstechnische Randbedingungen besser berücksichtigt werden können.
• Eine weitere konstruktive Variation besteht darin, die zwei Radien R1 und R2 der Rolle zu variieren, um unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zu erzielen. Ein weiterer Sonderfall ist hierbei gegeben, wenn gilt: R1 = R2, da dann keine axiale Trennung der Rollenkreiskonturen notwendig ist.
• Die mechanische Ausgestaltung für ein erfindungsgemäßes Getriebe kann je nach den vorliegenden Einbaubedingungen stark variieren, beispielsweise kann die Kulisse 3 auch an dem Zylinderkopf befestigt sein und muss nicht einstückig mit dem Zylinderkopf hergestellt sein. Ferner ist ein derartiges Rollengetriebe nicht nur in variablen Ventiltrieben einsetzbar sondern darüber hinaus auch in vielen weiteren reibungsarmen, d. h. gleitreibungsfreien Übersetzungsgetrieben, bei denen definierte Verstellwege eingehalten werden müssen.
• In Fig. 2 ist ein weiteres optimiertes Getriebe schematisch dargestellt. Es stellt eine Getriebeanordnung dar, entsprechend der in Fig. 1. Es gelten für die gleichen Teile die selben Bezugsziffern wie in Fig. 1. Die Konturberechnung für die erste Oberflächenkontur 2 im Hinblick auf eine kostengünstige Produktion erfolgt identisch wie bereits bei Fig. 1 beschrieben. Zur besseren Übersichtlichkeit sind in dieser Figur nur die Bauelemente und die Gerade 8 sowie die Bahnkurve 9 mit Bezugsziffern versehen.
• Der Unterschied zwischen der Getriebeanordnung zu Fig. 1 besteht darin, dass die Rolle 5 von der Welle 1 aus gesehen außerhalb der Kulisse 3 liegt. Dieses zweite Ausführungsbeispiel zeigt, wie ausschließlich durch Variation der geometrischen Parameter unterschiedlichste Ausführungsformen realisiert werden können, um für jeden Bauraum das ideale, kostengünstig zu fertigende Getriebe zu erhalten. Bezugszeichenliste 1 Welle
  1a Drehachse
  2 Erste Oberflächenkontur
  3 Kulisse
  4 Zweite Oberflächenkontur
  4a Mittelpunkt der zweiten Oberflächenkontur
  5 Rolle
  5a Rollenmittelpunkt
  6 Erster Berührpunkt
  7 Zweiter Berührpunkt
  8 Gerade
  9 Bahnkurve
  10 Schwenkhebel
  11 Koordinatensystem
  

Claims (9)

1. Getriebe, insbesondere für einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, bestehend aus zumindest einer, um eine Drehachse drehbeweglich angeordneten Welle mit einer ersten Oberflächenkontur und einer ortsfesten Kulisse mit einer zweiten Oberflächenkontur, sowie einer Rolle mit zumindest einem Außendurchmesser, die radial mit der ersten Oberflächenkontur in einem ersten Berührpunkt und mit der zweiten Oberflächenkontur in einem zweiten Berührpunkt in Kontakt steht, wobei die Lage der Berührpunkte durch eine Verdrehung der Welle veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oberflächenkontur (2) derart ausgeformt ist, dass bei einer Verdrehung der Welle (1) an den Berührpunkten (6, 7) keine Gleitreibung auftritt.

2. Getriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Berührpunkte (6, 7) und die Drehachse (1a) eine Gerade (8) definiert ist.

3. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Rolle über zwei Außendurchmesser verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Außendurchmesser (R1) mit der ersten Oberflächenkontur (6) in Kontakt und der zweite Außendurchmesser (R2) mit der zweiten Oberflächenkontur (7) in Kontakt ist.

4. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberflächenkontur (7) eine Kreiskontur ist.

5. Getriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberflächenkontur (7) konkav oder konvex ist.

6. Getriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberflächenkontur (7) eben ist.

7. Getriebe nach zumindest einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Oberflächenkontur (7) aus mindestens zwei, voneinander unterschiedlichen Konturen zusammensetzbar ist.

8. Getriebe nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) eine Exzenterwelle ist.

9. Getriebe nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle (5) ein Teil eines Schwenkhebels ist.