DE102007003969A1 - Nockenventiltrieb mit variablem Ventilhub und variabler Ventilöffnungsdauer - Google Patents
Nockenventiltrieb mit variablem Ventilhub und variabler Ventilöffnungsdauer Download PDFInfo
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nockenventiltrieb, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welcher mit einem Schlepphebel ausgeführt ist, der um eine Kippachse kippbar ist und zur Huberzeugung mit wenigstens einem Ventil zusammenwirkt, wobei der Nockenventiltrieb ferner einen Raumnocken umfasst, auf dem Abgriffsrollen abwälzen, die in einem Trägerkörper aufgenommen sind, der einen Freiheitsgrad zum gemeinsamen Verkippen der Angriffsrollen um eine sich tangential zur Nockenoberfläche erstreckenden erste Wippachse ermöglicht.
- Aus dem Stand der Technik bekannte Raumnockenventiltriebe weisen meist eine konstante Ventilöffnungsdauer über dem gesamten Verstellbereich des Ventilhubes auf, wie sie aus dem Bau von Brennkraftmaschinen oder Kraftstoff-Einspritzpumpen mit einem Nockentrieb angewendet werden. Vom Leerlauf bis zur Volllast variiert lediglich der Ventilhub und die Öffnungsdauer der Ventile ist bei allen Lastzuständen gleich lang. Bei sehr geringen Ventilhüben wird die Öffnungsdauer teilweise gegenüber den größeren Ventilhüben verkürzt, weil das Intervall der Öffnungsdauer auf einen Grenzwert bezogen ist.
- Die Oberfläche des Raumnockens setzt sich dabei aus zwei Bereichen zusammen. Einerseits weist dieser einen zylindrischen Grundkreisbereich auf, dessen Oberfläche in einen konischen Nocken übergeht. Da der Nocken lediglich konisch ausgeführt ist, ist auch die Dauer der Ventilbetätigung zumindest bei Verwendung eines passiven Abgriffselements konstant.
- Der zwischen den Abgriffsrollen und der Oberfläche des Raumnockens erforderliche Linienkontakt ist dabei nicht zu jedem Zeitpunkt garantiert. Dies zieht eine reduzierte Lebensdauer der Kinematik nach sich. Alternativ besteht zwar die Möglichkeit, einen gleitenden Abgriff zu schaffen, jedoch führt dieser zu erhöhten Reibungsverlusten. Zudem weist jede der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen eine konstante Ventilöffnungsdauer über dem Verstellbereich des Ventilhubes auf. Um die thermodynamischen Vorteile des variierenden Ventilhubes bei einer Brennkraftmaschine, welche vorzugsweise nach Bauart eines Ottomotors ausgeführt ist, vollständig zu nutzen, ist die Variation der Ventilöffnungsdauer über dem Ventilhub unumgänglich. Besonders vorteilhaft stellt sich eine Ablösung der Spaltsteuerung und ein Übergang auf eine Drosselsteuerung dar, was Vorteile hinsichtlich der thermodynamischen Verhältnisse zwischen den Öffnungs- und Schließzeitpunkten der Einlass- und Auslassventile bietet.
- Aus den
1 –3 ist ein Nockenventiltrieb für eine Brennkraftmaschine gezeigt, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Nockenventiltrieb1 umfasst einen Schlepphebel2 , der um eine Kippachse3 kippbar ist und zur Huberzeugung mit wenigstens einem Ventil zusammenwirkt. Gemäß der Darstellung in1 sind zwei Ventile4 mittels des Schlepphebels2 hubbeweglich angetrieben, wobei der Antrieb über einen Raumnocken5 erfolgt, der mit dem Schlepphebel2 zusammenwirkt. Der Abgriff der Oberfläche des Raumnockens5 erfolgt über zwei Abgriffsrollen6 , die in einem Trägerkörper7 aufgenommen sind. Der Trägerkörper7 weist einen rotatorischen Freiheitsgrad um eine erste Wippachse8 auf, so dass sich die Abgriffsrollen6 der Schrägung im Raumnocken5 anpassen können. -
2 zeigt eine schematische Darstellung des Nockenventiltriebes1 , wobei der Schlepphebel2 lediglich symbolisch dargestellt ist und um die Kippachse3 kippbar ist. Ferner sind die Ventile4 schematisch dargestellt, die über die Kippbewegung des Schlepphebels2 eine Hubbewegung ausführen. Der Schlepphebel2 wirkt mit einem Trägerkörper7 zusammen, welcher eine Drehbewegung um die erste Wippachse8 ausführen kann, die sich gemeinsam mit der Erstreckungsrichtung des Schlepphebels2 erstreckt. Am Trägerkörper7 sind die Abgriffsrollen6 starr angeordnet, so dass die Rotationsachsen der Abgriffsrollen in jeder Abgriffsituation miteinander fluchten. - Mit Blick auf
3 wird deutlich, dass der Linienkontakt zwischen den Abgriffsrollen6 und den Raumnocken5 nicht in jeder Abgriffssituation gewährleistet ist. Geht der Raumnocken5 vom zylindrischen Bereich in einen ansteigenden Bereich über, so löst sich der Linienkontakt zwischen den Abgriffsrollen und der Oberfläche des Raumnockens5 auf. Dies führt zu einem erhöhten Verschleiß und kann ein Versagen des Nockenventiltriebes1 nach sich ziehen. - Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Nockenventiltrieb mit einer Anordnung der Abgriffsrollen zu schaffen, die den Einsatz von Raumnocken ermöglicht, die eine variable Öffnungszeit der Ventile bei variablem Ventilhub ermöglicht, wobei in jeder Abgriffssituation ein linienförmiger Kontakt zwischen den Abgriffsrollen und dem Raumnocken vorliegt.
- Offenbarung der Erfindung
- Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Raumnockenventiltrieb für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
- Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Abgriffsrollen in einer jeweiligen Rollenaufnahme aufgenommen sind, die ein separates Verkippen der Abgriffsrollen im Trägerkörper in einer jeweils zugeordneten zweiten Wippachse ermöglichen.
- Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, die Abgriffsrollen mit einem weiteren Freiheitsgrad auszustatten, so dass diese sich unabhängig voneinander der Kontur der Oberfläche des Raumnockens anpassen können. Mit Hilfe dieser zusätzlichen Freiheitsgrade ist es möglich, einen variablen Ventilhub mit ebenfalls variabler Öffnungsdauer in einem Raumnockenventiltrieb darzustellen. Um eine Reduzierung der Öffnungsdauer bei sinkendem Ventilhub zu erreichen, ist ein Raumnocken mit einem konischen Bereich erforderlich, welcher kegelförmig ausgeführt sein muss, da im Bereich des vollen Ventilhubs der Öffnungswinkel am Nocken wesentlich größer ist als im Bereich kleinerer Hübe.
- Für den mechanischen Abgriff eines solchen Raumnockens mit einer reduzierten Öffnungsdauer ist daher gewährleistet, dass beim Abrollen der Abgriffsrollen auf der Nockenoberfläche die Rollen beim Übergang vom zylindrischen in den kegelichen Bereich wippen können, während sich die zweite Rolle noch auf dem zylindrischen Bereich befindet. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad lässt daher ein unabhängiges Wippen der beiden Abgriffsrollen um die jeweils zweite Wippachse zueinander zu. Dennoch kann der Trägerkörper gegenüber dem Schlepphebel in der ersten Wippachse eine Wippbewegung ausführen, um sich der Kegelform des Raumnockens anzupassen. Daher weist der Trägerkörper in Gestalt einer großen Wippe zwei in Gestalt kleiner Wippen ausgebildeten Rollenaufnahmen auf, die im Trägerkörper selbst gelagert sind. Folglich ist jede Abgriffsrolle über eine separate Rollenaufnahme innerhalb des Trägerkörpers drehbar bzw. wippend aufgenommen.
- Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass der Trägerkörper über wenigstens ein erstes Halbschalengelenk im Schlepphebel gelagert ist, um das Verkippen um die erste Wippachse zu er möglichen. Vorzugsweise kann der Trägerkörper zwei Halbschalengelenke aufweisen, die endseitig am Trägerkörper ausgebildet sind und in einer ersten Wippachse fluchten. Die Wippbewegung des Trägerkörpers erfolgt dabei um die Wippachse selbst, welche oberhalb der Oberfläche des Trägerkörpers angeordnet ist. Ebenso sind die Rollenaufnahmen über wenigstens jeweils ein zweites Halbschalengelenk im Trägerkörper aufgenommen, um das Verkippen in die zugeordnete zweite Wippachse zu ermöglichen. Auch die Halbschalengelenke weisen einen Radius auf, der so groß gewählt ist, dass die zweite Wippachse oberhalb des Körpers der Rollenaufnahme angeordnet ist. Jedoch können die Positionen der Wippachsen sowohl des Trägerkörpers als auch der Rollenaufnahmen frei gewählt werden. Jedoch sind diese vorzugsweise so auszuführen, dass die Abgriffsrollen selbst einzeln als auch gemeinsam im Trägerkörper um Achsen rotieren, die tangential an bzw. ober- oder unterhalb der Oberfläche der Rollen liegen. Eine Positionsabweichung der jeweiligen Wippachse ist bis zur Größe des Rollenradius möglich.
- Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform von Raumnocken ist die Hubinformation in der Kontur des Raumnocken abgelegt. Dabei ist der Ventilhub unter einer axialen Verstellung des Raumnockens variierbar, wobei die Kontur des Raumnockens derart ausgebildet ist, dass die Öffnungsdauer des angetriebenen Ventils mit sich änderndem Ventilhub variabel ist. Dauert der Ventilhub bei einem großen Ventilhub vergleichsweise lange, so kann der Raumnocken in seiner geometrischen Ausgestaltung die Hubinformation derart übermitteln, dass ein kleiner Ventilhub zwar zum gleichen Kurbelwellendrehwinkel mit einem großen Ventilhub beginnt, dieser aber früher beendet ist. Damit ist die Öffnungsdauer des Ventils bei einem kleinen Ventilhub kurz ausgebildet und bei einem großen Ventilhub lange ausgebildet. Es besteht jedoch die Möglichkeit der freien Wahl des Öffnungs- und Schließzeitpunktes des Ventils bei großen und bei kleinen Ventilhüben, was lediglich in der Hubinformation innerhalb der Kontur des Raumnockens abgelegt ist.
- Aus kinematischen Gründen ist es von Vorteil, dass das Verkippen der Rollenaufnahme in der zweiten Wippachse einen Winkelbereich umfasst, der einen Linienkontakt der Abgriffsrollen mit der abgegriffenen Nockenoberfläche schafft. Damit wird der Verschleiß des Abgriffselements in Form der Rollen minimiert, da Kantenträger vermieden werden, und der Linienkontakt als besonders belastbarer Kontakt aufrechterhalten bleibt. Zudem bleibt die Schmierung zwischen der Nockenoberfläche und den Abgriffsrollen bei einem Linienkontakt auf besonders vorteilhafte Weise bestehen. Der Linienkontakt einer Rolle, welche auf einem zylindrischen Nockenabschnitt verläuft ist daher unabhängig vom Linienkontakt einer zweiten oder einer weiteren Rolle, die bereits auf einem ansteigenden Nockenabschnitt abrollt. Dabei fluchten die Kontaktlinien lediglich auf einer zylindrischen Nockenoberfläche, und weichen voneinander ab, sobald der Nocken eine Krümmung im Raum aufweist.
- Die erste Wippachse kann mit den zweiten Wippachsen parallel zueinander verlaufen, so dass die jeweils zweiten Wippachsen ebenfalls parallel oder unter einem Winkel zueinander verlaufen. Abhängig von der Kontur der Nocke besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass zumindest die zweiten Wippachsen parallel zueinander verlaufen und einen Winkel zur ersten Wippachse einschließen.
- Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenventiltriebs weist eine Abgriffsrolle auf, die mittels eines Wälzlagers auf einem Rollenbolzen drehbar gelagert ist, wobei die Abgriffsrolle durch den Lageraußenring des Wälzlagers gebildet ist. Das Wälzlager kann vorteilhafterweise ein Pendelrollenlager oder ein Pendelkugellager sein, wobei der Freiheitsgrad der Pendelbewegung der Abgriffsrolle den mittels der Rollenaufnahme in der zweiten Wippachse geschaffenen Freiheitsgrad ersetzt. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass der mittels des Pendellagers geschaffene Freiheitsgrad dem mittels der Rollenaufnahme geschaffenen Freiheitsgrad überlagert ist. Beim Einsatz einer Pendellagerung der Abgriffsrollen anstatt der wippbaren Rollenaufnahmen gleicht das pendelnde Wälzlager die Änderung der Nockenschräge bei einer Umdrehung komplett aus. Werden mehrere wippende Abgriffsrollen im Schlepphebel eingesetzt, so ist eine optimierte Anpassungsfähigkeit des Abgriffselements in Gestalt der Abgriffsrolle an den Raumnocken erreichbar.
- Der Einsatz von Wälzlagern mit einem Pendelfreiheitsgrad bringt speziell bei der Umsetzung der Wippbewegung Reibungsvorteile mit sich. Dabei ist die Ausführung des Pendelfreiheitsgrades jedoch beliebig.
- Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
- Ausführungsbeispiel
- Es zeigt:
-
1 einen Nockenventiltrieb in einer perspektivischen Ansicht, wie diese aus dem Stand der Technik bekannt ist; -
2 eine schematische Darstellung eines Nockenventiltriebs1 gemäß dem Stand der Technik entsprechend der1 ; -
3 einen schematischen Querschnitt durch einen Raumnocken sowie durch die Abgriffsrollen, die auf der Oberfläche des Raumnockens abrollen. -
4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Nockenventiltriebs; -
5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Nockenventiltriebes gemäß der4 ; -
6 einen schematischen Querschnitt eines Raumnockens mit zugeordneten Abgriffsrollen, welche die erfindungsgemäßen Freiheitsgrade aufweisen; und -
7 ein Ausführungsbeispiel einer Pendelrollenlagerung der Abgriffsrolle. - Der erfindungsgemäße Nockenventiltrieb
1 ist in der4 perspektivisch dargestellt. Dieser umfasst einen Schlepphebel2 , welcher um eine Kippachse3 eine Kippbewegung ausführen kann. Der Schlepphebel2 weist eine rahmenartige Struktur auf, wobei sich auf der Oberseite eine halbschalenförmige Kontur befindet, welche als erstes Halbschalengelenk11 bezeichnet ist. In dem ersten Halbschalengelenk11 ist ein Trägerkörper7 eingebettet, so dass dieser aufgrund der Halbschalenkontur um eine erste Wippachse8 drehbar bzw. schwenkbar ist. Die Kippbewegung des Trägerkörpers7 in dem Schlepphebel2 wird über die Abgriffsrollen6 eingeleitet, welche ebenfalls im Trägerkörper7 aufgenommen sind. Verändert sich die Kontur des Raumnockens – in der Ansicht nicht gezeigt –, so kann der Trägerkörper7 in dem Schlepphebel2 eine Wiegebewegung ausführen, so dass sich die Abgriffsrollen6 der Kontur des Raumnockens anpassen können. - Erfindungsgemäß weist der Trägerkörper
7 selbst schalenartige Konturen auf, welche als zweite Halbschalengelenke12 bezeichnet sind. In einem Trägerkörper7 sind dabei zwei zweite Halbschalengelenke12 zur jeweiligen Aufnahme einer Rollenaufnahme9 vorgesehen. Die Rollenaufnahmen9 nehmen die Abgriffsrollen6 auf, welche drehbar über einen Rollenbolzen14 in diesem gelagert sind. Durch die schalenartigen Gelenke12 besteht die Möglichkeit, dass die Rollenaufnahme9 um eine jeweils zugeordnete zweite Wippachse10 eine Wippbewegung ausführen kann. Die Wippachsen10 sind parallel zur ersten Wippachse8 ausgerichtet, so dass sich die Kontaktlinie der jeweiligen Abgriffsrolle6 zur Raumnocke unabhängig voneinander ausbilden kann. Ferner sind die Rollen6 selbst in ihrer Position änderbar, so dass insgesamt drei Freiheitsgrade vorliegen, innerhalb derer sich die Rollen6 in ihrer Lage und in ihrer Position verändern können. -
5 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Nockentriebes1 , in der der Schlepphebel2 dargestellt ist und um die Kippachse3 kippbar ist, um eine Hubbewegung in den Ventilen4 hervorzurufen. Auf dem Schlepphebel2 ist der Trägerköper7 drehbar gelagert, wobei die Lagerung durch das erste Halbschalengelenk11 gebildet ist. Endseitig am Trägerkörper7 sind die Abgriffsrollen6 ebenfalls drehbar um eine jeweils zugeordnete zweite Wippachse10 aufgenommen. Die zweite Wippachse erstreckt sich durch das zweite Halbschalengelenk, welches jeweils links- und rechtsseitig am Trägerkörpers7 dargestellt ist. - Mit Blick auf
6 wird deutlich, dass die Abgriffsrollen6 sich der Kontur des Raumnockens5 anpassen können. Die linksseitig dargestellte Abgriffsrolle6 weist einen Linienkontakt mit einem zylindrischen Abschnitt des Raumnockens5 auf, wobei die rechtsseitig dargestellte Abgriffsrolle6 ebenfalls einen Linienkontakt mit einer schrägen Oberfläche des Raumnockens5 bildet. Der Kontaktwinkel des Raumnockens5 ist in der oberen Ansicht dargestellt, wobei die Winkelposition durch einen Balken angedeutet ist. Darin wird jedoch deutlich, dass einerseits eine Abgriffsrolle6 auf dem Kreisquerschnitt des Raumnockens5 einen Linienkontakt bilden kann, wohingegen eine zweite Abgriffsrolle6 bereits auf einem konischen bzw. beliebig sphärisch ausgebildeten Oberflächenabschnitt des Raumnockens5 einen Linienkontakt bilden kann. - In
7 ist ein Ausführungsbeispiel einer Abgriffsrolle6 gezeigt, die mittels eines Wälzlagers13 auf einem Rollenbolzen14 drehbar gelagert ist, wobei die Abgriffsrolle6 durch den Lageraußenring des Wälzlagers13 gebildet ist. Das Wälzlager13 ist ein Pendelrollenlager, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad geschaffen wird. Der mittels des Pendellagers geschaffene Freiheitsgrad ist dabei dem mittels der Rollenaufnahme geschaffenen Freiheitsgrad überlagert. - Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
-
- 1
- Nockenventiltrieb
- 2
- Schlepphebel
- 3
- Kippachse
- 4
- Ventil
- 5
- Raumnocken
- 6
- Abgriffsrolle
- 7
- Trägerkörper
- 8
- erste Wippachse
- 9
- Rollenaufnahme
- 10
- zweite Wippachse
- 11
- erstes Halbschalengelenk
- 12
- zweites Halbschalengelenk
- 13
- Wälzlager
- 14
- Rollenbolzen
Claims (10)
- Nockenventiltrieb (
1 ), insbesondere für eine Brennkraftmaschine, welcher mit einem Schlepphebel (2 ) ausgeführt ist, der um eine Kippachse (3 ) kippbar ist und zur Huberzeugung mit wenigstens einem Ventil (4 ) zusammenwirkt, wobei der Nockenventiltrieb (1 ) ferner einen Raumnocken (5 ) umfasst, auf dem Abgriffsrollen (6 ) abwälzen, die in einem Trägerkörper (7 ) aufgenommen sind, der einen Freiheitsgrad zum gemeinsamen Verkippen der Abgriffsrollen (6 ) um eine sich tangential zur Nockenoberfläche erstreckende erste Wippachse (8 ) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgriffsrollen (6 ) in einer jeweiligen Rollenaufnahme (9 ) aufgenommen sind, die ein separates Verkippen der Abgriffsrollen (6 ) im Trägerkörper (7 ) in einer jeweils zugeordneten zweiten Wippachse (10 ) ermöglichen. - Nockenventiltrieb (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (7 ) über wenigstens ein erstes Halbschalengelenk (11 ) im Schlepphebel (2 ) gelagert ist, um das Verkippen um die erste Wippachse (8 ) zu ermöglichen. - Nockenventiltrieb (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rollenaufnahmen (9 ) über wenigstens jeweils ein zweites Halbschalengelenk (12 ) im Trägerkörper (7 ) aufgenommen sind, um das Verkippen um die zugeordnete zweite Wippachse (8 ) zu ermöglichen. - Nockenventiltrieb (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubinformation in der Kontur des Raumnocken (5 ) abgelegt ist und unter einer axialen Verstellung der Ventilhub variierbar ist, wobei die Kontur derart ausgebildet ist, dass die Öffnungsdauer des angetriebenen Ventils (4 ) mit sich änderndem Ventilhub variabel ist. - Nockenventiltrieb (
1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsdauer des Ventils (4 ) bei einem kleinen Ventilhub kurz ausgebildet ist. - Nockenventiltrieb (
1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkippen der Rollenaufnahme (9 ) in der zweiten Wippachse (10 ) einen Winkelbereich umfasst, der einen Linienkontakt der Abgriffsrollen (6 ) mit der abgegriffenen Nockenoberfläche schafft. - Nockenventiltrieb (
1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wippachse (8 ) und die zweiten Wippachsen (10 ) parallel zueinander verlaufen. - Nockenventiltrieb (
1 ) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgriffsrolle (6 ) mittels eines Wälzlagers (13 ) auf einem Rollenbolzen (14 ) drehbar gelagert ist, wobei die Abgriffsrolle (6 ) durch den Lageraußenring des Wälzlagers (13 ) gebildet ist. - Nockenventiltrieb (
1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (13 ) ein Pendelrollenlager oder ein Pendelkugellager ist, wobei der Freiheitsgrad der Pendelbewegung der Abgriffsrolle (6 ) den mittels der Rollenaufnahme (9 ) in der zweiten Wippachse (10 ) geschaffenen Freiheitsgrad ersetzt. - Nockenventiltrieb (
1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels des Pendellagers geschaffene Freiheitsgrad dem mittels der Rollenaufnahme (9 ) geschaffenen Freiheitsgrad überlagert ist.
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