DE102007022266A1

DE102007022266A1 - Anordnung eines variablen Ventiltriebs

Info

Publication number: DE102007022266A1
Application number: DE102007022266A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Schatz
Original assignee: Hydraulik Ring GmbH
Current assignee: Hilite Germany GmbH; Kolbenschmidt Pierburg Innovations GmbH
Priority date: 2007-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Es wird eine vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) zur Hubverstellung von Gaswechselventilen (2) einer Verbrennungskraftmaschine mit einer wenigstens einen Nocken aufweisenden Nockenwelle (3), der einen Nockenhub erzeugt, und wenigstens einer zwischen wenigstens einem der Gaswechselventile (2) und der Nockenwelle (3) angeordneten Übertragungseinrichtung (4) zur Verstellung des Hubs des Gaswechselventils (2) in Abhängigkeit vom Nockenhub beschrieben. Dabei umfasst die Übertragungseinrichtung (4) wenigstens eine längliche Achse (5) und wenigstens ein auf dieser Achse angeordnetes Bauteil (6, 7). Ferner ist wenigstens ein auf der Achse (5) seitlich des Bauteils (6, 7) sowie mit der Achse (5) reibschlüssig verbundenes Sicherungselement (11, 14, 19) vorgesehen, welches ein achsparalleles Verschieben des Bauteils (6, 7) in einer dem Sicherungselement (11, 14, 19) zugewandten Richtung beschränkt oder verhindert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen vollvariablen Ventiltrieb, auch als Ventilhubvorrichtung zur Hubverstellung von Gaswechselventilen bekannt, einer Verbrennungskraftmaschine mit einer wenigstens einen Nocken aufweisenden Nockenwelle und wenigstens einer zwischen wenigstens einem der Gaswechselventile und der Nockenwelle angeordneten Übertragungseinrichtung zur Verstellung des Hubs des Gaswechselventils in Abhängigkeit einer Relativposition der Übertragungseinrichtung, wobei die Übertragungseinrichtung wenigstens eine längliche Achse und wenigstens ein auf dieser Achse angeordnetes Bauteil umfasst. Der Ventiltrieb ist durch seine Anordnung in der Lage, möglichst toleranzunabhängig die Gaswechselventilöffnungszeiten und die Gaswechselventilöffnungsweite, idealerweise für jeden Kolben gesondert, einstellen zu können.
Solche Ventilhubvorrichtungen sind mit vielfältigen Ausführungen der Übertragungseinrichtung bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 42 23 173 A1 (Anmelderin: Bayerische Motoren Werke AG; Anmeldetag: 15.7.1992) eine aus einer Walze und einem Kulissenelement gebildete Übertragungseinrichtung. Bei der DE 43 26 331 A1 (Anmelderin: Bayerische Motoren Werke AG; Anmeldetag: 5.8.1993) besteht die Übertragungseinrichtung aus einem auf einer Achse angeordneten Schlepphebel sowie einem Schwinghebel. Auch bei den Übertragungseinrichtungen der in den Patentanmeldungen DE 103 14 683 A1 (Anmelderin: Gerlinde Bösl-Flierl; Anmeldetag: 29.3.2003) und DE 103 23 665 A1 (Anmelderin: Hydraulik-Ring GmbH; Anmeldetag: 14.5.2003) offenbarten Ventilhubvorrichtungen sind an Achsen angeordnete und von der Nocke betätigte Hebel, so genannte Zwischen- oder Kipphebel, vorgesehen. Wie in der DE 103 14 683 A1 erklärt, wird der Zwischenhebel auf einer zentralen Achse gelagert. Da Verbrennungskraftmaschinen pro Brennraum oft wenigstens zwei Gaswechselventile für den Einlass und ebenso wenigstens zwei Gaswechselventile für den Auslass haben, sind die drehbeweglich auf der Achse gelagerten Schlepp-, Zwischen- oder Kipphebel in der Regel als Doppelhebel oder Gabelhebel ausgestaltet. Aus Vollständigkeitsgründen, wie ein variabler Ventiltrieb ebenfalls gestaltet sein kann, sollen noch die Ausführungen aus den beiden Druckschriften DE 10 2005 010 182 A1 (Anmelderin: entec Consulting GmbH; Anmeldetag: 03.03.2005) und DE 100 33 437 A1 (Anmelderin: Unisia Jecs Corporation; Prioritätstag: 08.07.1999) benannt werden.
Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wird der Offenbarungsumfang der zitierten Schutzrechte durch diese Referenzen in Bezug auf die Komponentendarstellungen vollinhaltlich in die vorliegende Patentanmeldung inkludiert, um die allgemeinen Aufbauvarianten eines vollvariablen Ventiltriebes darzustellen. Die hier verwendeten Bauteile und Elemente lassen sich mit der vorliegenden Erfindung aufbauen.
Insbesondere bei hohen Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine, wie zum Beispiel bei hochdrehenden Ottomotoren, tendieren auf einer Achse gelagerte Bauteile der Übertragungseinrichtung dazu, sich seitlich entlang der Achse zu verschieben. Sofern diesem Verschieben der Bauteile nicht entgegengewirkt wird, besteht die Gefahr von Fehlfunktionen des Motors bis hin zu ernsthaften Beschädigungen desselben.
Aus der DE 27 35 100 C2 (Anmelderin: Bayerische Motoren Werke AG; Anmeldetag: 4.8.1977) ist nun eine Axialschub-Sicherungsanordnung bekannt, mit der eine axiale Bewegung eines Ventilbetätigungshebels unterbunden werden soll. Die Sicherungsanordnung ist formschlüssig auf der Achse aufgebracht. Zu diesem Zweck ist an der Achse eine Radialnut vorgesehen, in welche die klammerförmige Sicherungsanordnung mit einem gabelförmigen Endabschnitt eingreift. Der Ventilbetätigungshebel wird dabei von der Sicherungsanordnung beidseitig umgriffen und dadurch an einer axialen Bewegung in beiden Achsenrichtungen gehindert. Aufgrund des beidseitigen Umgreifens beansprucht diese Sicherungsanordnung verhältnismäßig viel Raum, der in Verbrennungskraftmaschinen jedoch grundsätzlich knapp bemessen ist. Zudem kann mit dieser Sicherungsanordnung jeweils nur ein auf der Achse angeordnetes Bauteil gegen seitliches Verschieben gesichert werden.
Darüber hinaus sind innerhalb einer Nut der Achse aufgenommene Seegeringe als Sicherung von auf der Achse angeordneten Bauteilen gegen axiale Verschiebungen bekannt.
Aufgabenstellung
Entwickler eines vollvariablen Ventiltriebes, die insbesondere ein ausgewähltes System so gestalten sollen, dass es industriell fertigbar ist, sehen sich mit den unterschiedlichen Forderungen konfrontiert. Auf der einen Seiten sollen die Fertigungsschritte möglichst einfach durchführbar sein, auf der anderen Seite dürfen die Fertigungsschritte gewisse Toleranzen nicht überschreiten. Werden toleranzbehaftete Bauteile auf einer gemeinsamen Achse aufgereiht, so addieren sich die einzelnen Toleranzen und die Gesamttoleranz mag außerhalb eines akzeptablen Bereichs liegen. In einem solchen Fall ist die Ausschussquote der industriellen Fertigung außerhalb einer akzeptablen Güte. Erschwerend kommt hinzu, dass die antreibenden Bauteile für die Gaswechselventile einen weiten Temperaturbereich abdecken können müssen.
Die Verbrennungskraftmaschine muss bei Umgebungstemperatur anlauffähig sein, innerhalb kürzester Zeit überschreitet die Temperatur im Zylinderkopf 150°C. Somit ist eine konstruktive Realisierung zu wählen, die einen Temperaturhub von mehr als 200°C verarbeiten kann.
Weiterhin soll der variable Ventiltrieb so auslegbar sein, dass auch hochdrehende Ottomotoren mit einem solchen Ventiltrieb ausstattbar sind, dass bedeutet, Kurbelwellenumdrehungen von 8.000 Umdrehungen pro Minute oder sogar mehr sollten erreichbar sein. Bei Drehzahlen von 8.000 Umdrehungen oder sogar 10.000 Umdrehungen pro Minute sollte eine konstruktive Lösung möglichst gewichtssparend sein. Wie bekannt, wird der oder werden die Zwischenhebel, ein oder mehrere Zwischenhülsen bzw. ein Kulissenzwischenlager auf einer gemeinsamen Achse aufgefädelt. Die Lagerachse sollte idealerweise ein Hohlteil sein, um die beteiligten Massen zu reduzieren. Auch die Achse ist industriell fertigbar auszulegen. Das bedeutet wiederum, dass auch die Achse zur Toleranzerhöhung beiträgt.
Es ist also eine konstruktive Lösung gesucht, die die einzelnen auf der Achse zu lagernden Bauteile gegen seitliches Verschieben sichern kann.
Allgemeine Erfindungsbeschreibung
Diese Aufgabenstellung wird durch eine variable Ventilhubvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei der erfindungsgemäßen vollvariablen Ventiltriebvorrichtung ist ein reibschlüssig bzw. mittels einer Presspassung mit der Achse verbundenes Sicherungselement vorgesehen. Somit können Arbeitsschritte, die zur Herstellung eines bekannten Formschlusses zwischen dem Sicherungselement und der Achse notwendig sind, wie zum Beispiel das Herstellen einer Radialnut an der Achse für einen Formschluss mit der bekannten Sicherungsanordnung, eingespart werden. Beim Zusammenbau der vollvariablen Ventiltriebvorrichtung lässt sich das Sicherungselement einfach und ohne weitergehende Bearbeitung der Achse auf diese aufstecken. Die Herstellung der erfindungsgemäßen vollvariablen Ventiltriebvorrichtung wird dadurch einfacher, schneller und kostengünstiger als die Herstellung bekannter Ventilhubvorrichtungen. Ferner beansprucht das Sicherungselement bei der vorliegenden Erfindung weniger Raum als die bekannte Sicherungsanordnung, da es das zu sichernde Bauteil nicht beidseitig umgreift, sondern nur an einer einzigen Seite desselben angeordnet ist. Es lassen sich bei der erfindungsgemäßen vollvariablen Ventiltriebvorrichtung auch zwei oder mehr auf der Achse angeordnete Bauteile mit nur einem einzigen Sicherungselement gegen ein Verschieben in eine dem Sicherungselement zugewandte Richtung sichern. Anders als bei der bekannten Sicherungsanordnung ist es nicht mehr notwendig, für jedes zu sichernde Bauteil ein jeweiliges Sicherungselement vorzusehen, wodurch sich die Herstellungskosten und der Raumbedarf, vor allem aber auch der von den Sicherungselementen auf der Achse beanspruchte Platz, noch einmal reduzieren. Selbstverständlich ist es je nach Bedarf möglich, auch mehrere Sicherungselemente vorzusehen. Beispielsweise können zwei an entgegen gesetzten Endabschnitten der Achse angeordnete Sicherungselemente vorgesehen sein, um ein Verschieben der Bauteile in beiden axialen Richtungen zu verhindern. Dabei kann das Sicherungselement entweder in direktem Kontakt mit dem Bauteil stehen, oder es kann von diesem anfänglich beabstandet sein. Um das Sicherungselement vom Bauteil beabstandet anzuordnen, kann beim Zusammenbau der vollvariablen Ventiltriebvorrichtung vorgesehen sein, dass vor dem Anbringen des Sicherungselements eine Spielfeder abschließend des letzten Bauteils vor dem Sicherungselement an die Achse herangebracht wird, um nach der Befestigung des Sicherungselements wieder herausgenommen und entfernt zu werden.
Das Hindern im Sinne dieser Erfindung zeichnet sich durch ein Beschränken oder Verhindern der axialen Vorwärtsbewegung der aufgefädelten Bauteile aus.
Vollvariabler Ventiltrieb im Sinne dieser Erfindung sind solche Ventiltriebe, die die Gaswechselventile in zweierlei Hinsicht verändern können, insbesondere in Bezug auf die Öffnungsweite und die Öffnungsdauer eines Gaswechselventils für einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Bei diesen Anordnungen werden in der Regel höhere mechanische Kräfte auf die Ventilhubvorrichtung ausgeübt, als bei reinen Ventilhubveränderungsvorrichtungen. Idealerweise können vollvariable Ventiltriebe sowohl in Bezug auf Öffnungsweite als auch in Bezug auf Öffnungsdauer möglichst unabhängig voneinander eingestellt werden.
Das Sicherungselement ist innerhalb wenigstens eines für den Reibschluss ausgebildeten Abschnitts der Achse frei, insbesondere stufenlos, positionierbar. Grundsätzlich kann die Achse nur einen solchen Abschnitt aufweisen, sie kann aber auch mehrere voneinander getrennte solcher Abschnitte aufweisen. Mehrere für den Reibschluss mit dem Sicherungselement geeignete Abschnitte können dann vorgesehen werden, wenn die Achse aus Funktionsgründen innerhalb der Übertragungseinrichtung Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen muss, wobei es auch möglich ist, jeweils verschiedene Sicherungselemente auf Abschnitten der Achse mit unterschiedlichen Durchmessern anzuordnen. Im einfachsten Fall ist der Reibschluss mit dem Sicherungselement jedoch entlang der gesamten Länge der Achse möglich, insbesondere weil die Achse mit einem konstanten Durchmesser oder der gleichen Stärke ausgestattet ist. Das Sicherungselement kann ein abgeschnittenes Stück einer Federstahldrahtspirale sein.
Die erfindungsgemäße Lösung zeigt unter anderem den Vorteil, dass die Einstichtiefe in die Achse, zur Schaffung einer Passscheibenvertiefung, reduziert oder gänzlich weggelassen werden kann. Der axiale Sicherungsring kann nach dem Auffädeln der einzelnen Bauteile leicht aufgebracht werden. Durch die freie Positionierbarkeit des axialen Sicherungsringes innerhalb eines Anordnungsraumes auf der Achse, seitlich des nächsten Bauteiles, lassen sich toleranzbehaftete Bauteile nebeneinander anordnen. Beim Zusammenbauen kann auch vorgesehen sein, dass vor dem Anbringen des axialen Sicherungsringes eine Spielfeder abschließend des letzten Bauteils vor dem axialen Sicherungsring an die Welle herangebracht wird, um nach der Befestigung des axialen Sicherungsringes wieder herausgenommen und entfernt zu werden. In diesem Fall ist der axiale Sicherungsring beabstandet angeordnet. Das bedeutet, der axiale Sicherungsring ist stufenlos aufschiebbar.
Aus dem Umstand der freien Positionierbarkeit des Sicherungselementes ergibt sich als weiterer Vorteil die Möglichkeit der Toleranzeinstellung mittels desselben. Herstellungsbedingt sind die auf der Achse angeordneten Bauteile nämlich mit gewissen Toleranzen behaftet. Werden toleranzbehaftete Bauteile auf einer gemeinsamen Achse aufgereiht, so addieren sich die einzelnen Toleranzen zu einer Gesamttoleranz, die allerdings einen gewissen Bereich nicht überschreiten darf, z. B. 1 bis 2 zehntel Millimeter. Zum Ausgleichen dieser Toleranzen ist nach einem Verfahren üblich, die Toleranzen zu messen und eine notwendige Toleranz durch Anordnen von unterschiedlich dicken Paßscheiben auf der Achse einzustellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, jeweils unterschiedlich lange Achsen in Abhängigkeit von der tatsächlichen Toleranz zu verwenden. Als axiale Sicherung der auf der Achse angeordneten Paßscheiben wird nach dem obigen Verfahren ein in einer Nut der Achse sitzender Seegering genutzt. Bei der erfindungsgemäßen vollvariablen Ventiltriebvorrichtung lassen sich Toleranzen dagegen einfach und bequem durch entsprechendes Positionieren des Sicherungselements an einer Stelle der Achse einstellen, an der es die Fertigungstoleranzen der auf der Achse angeordneten Bauteile ausgleicht. Somit lässt sich das reibschlüssig mit der Achse verbundene Sicherungselement sowohl zur Sicherung der Bauteile gegenüber seitlicher Verschiebung einsetzen als auch zum Einstellen einer notwendigen Toleranz. Da das Sicherungselement beide Funktionen übernimmt, kann bei der erfindungsgemäßen vollvariablen Ventiltriebvorrichtung sowohl auf Paßscheiben geeigneter Dicke, die nach Messen der tatsächlichen Toleranz der auf die Achse aufgebrachten Bauteile mit der benötigten Dicke womöglich erst hergestellt werden müssen, als auch auf den Seegering und die für diesen notwendige Nut verzichtet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher das Sicherungselement an einer Stelle der Achse angeordnet, an der es Fertigungstoleranzen des Bauteils allein oder des Bauteils sowie wenigstens eines weiteren auf der Achse angeordneten Bauteils ausgleicht.
Ganz allgemein kann das Sicherungselement eine geschlossene oder eine offene Form aufweisen. Beispielsweise kann das Sicherungselement im ersten Fall ringförmig sein, während es im zweiten Fall von einer unterbrochenen Ringform ist. Ferner kann das Sicherungselement grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, wie beispielsweise einen dreieckigen oder sechseckigen Querschnitt. Bevorzugt weist das Sicherungselement allerdings einen einfachen Querschnitt auf, das bedeutet, einen rechteckigen, der auch quadratisch sein kann, oder einen runden Querschnitt. Der Grund dafür liegt darin, dass sich ein Sicherungselement mit rechteckigem oder rundem Querschnitt besonders einfach aus in der Regel leicht erhältlichen Rohteilen herstellen lässt. So kann ein ringförmiges Sicherungselement mit rechteckigem Querschnitt einfach aus einem Plattenteil ausgestanzt werden, während sich ein offenes ringförmiges Sicherungselement mit rundem Querschnitt bequem durch Biegen eines länglichen Drahtmaterials in die richtige Form erhalten lässt.
Insbesondere bei einem Sicherungselement mit einem runden Querschnitt ergibt sich eine Linienberührung des Sicherungselements mit der Achse. Bevorzugt weist das Sicherungselement jedoch einen flächigen Kontakt mit der Achse auf, um auftretende Flächenpressungen an der reibschlüssigen Verbindung niedrig zu halten. Um bei einem Sicherungselement mit einem runden Querschnitt einen solchen flächigen Kontakt mit der Achse zu erhalten, kann es daher vorteilhaft sein, von dem ideal runden Querschnitt abzuweichen, indem der Querschnitt zur Achse hin abgeflacht ausgebildet wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Sicherungselement wenigstens zwei diskrete Kontaktbereiche auf, in denen es in Kontakt mit der Achse ist. Diese sind besonders bevorzugt einigermaßen gleichmäßig um den Umfang der Achse verteilt. Zur Realisierung solcher diskreter Kontaktbereiche bzw. Mehrpunktberührungen mit der Achse weicht das Sicherungselement von der runden Kreisform ab. Bevorzugt ist dabei eine Ausführung mit drei Kontaktbereichen, die daher um circa 120° (mit einer Abweichung von einigen Grad) um die Achse verteilt sind. Bei einem kreisrunden, darüber hinaus offenen, insbesondere ringförmigen, Sicherungselement verhindert dies eine mögliche Kippelbewegung, wenn z. B. die Form des Rings oder der Achse toleranzbedingt vom idealen Kreis abweicht.
In Verbrennungskraftmaschinen müssen antreibende Bauteile für die Gaswechselventile einen weiten Temperaturbereich abdecken: Eine Verbrennungskraftmaschine muss einerseits bei Umgebungstemperatur anlauffähig sein, andererseits überschreitet die Temperatur im Zylinderkopf innerhalb kürzester Zeit 150°C. Somit sind konstruktive Realisierungen der Bauteile von Vorteil, die einen Temperaturhub von mehr als 200°C verarbeiten können. Aus diesem Grund wird eine Ausführung der Erfindung bevorzugt, bei der die Achse und das Sicherungselement aus Materialien mit im Wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt sind. Dadurch wird eine im Wesentlichen gleich starke Wärmeausdehnung von Sicherungselement und Achse sichergestellt, ohne den Reibschluss zwischen beiden nachteilig zu beeinträchtigen. Besonders bevorzugt sind Achse und Sicherungselement aus dem gleichen Material hergestellt, so dass beide denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Das Sicherungselement kann beispielsweise aus Federstahl gefertigt sein, der meist als Rundmaterial vorliegt, während die Achse aus einem gehärteten Metall gefertigt sein kann.
Aufgrund des Reibschlusses mit der Achse und der damit einhergehenden Vorspannung des Sicherungselements kann bei der erfindungsgemäßen vollvariablen Ventiltriebvorrichtung eine Abstreifkraft für das Sicherungselement eingestellt werden. Dabei wird die Abstreifkraft vorteilhaft so gewählt, dass mögliche auftretende Querkräfte nicht zu einem Auseinanderfallen der Achse und des Sicherungselements führen können. Bevorzugt hat die Abstreifkraft eine untere Grenze. Die untere Grenze der Abstreifkraft beträgt für das Sicherungselement nach einer Ausgestaltung mindestens 250 N. Nach einer weiteren Ausgestaltung kann sie mindestens 350 N oder sogar mindestens 500 N betragen. Dabei befindet sich die Abstreifkraft besonders bevorzugt im Bereich zwischen 250 N und 350 N. Ganz besonders bevorzugt ist jedoch eine Abstreifkraft von 300 N, die sich für Ventilhubvorrichtungen üblicher Verbrennungskraftmaschinen als ausreichend erwiesen hat. In die Grenze der Abstreifkraft geht der Durchmesser und die Stabilität der Achse ein. Gleichzeitig läßt sich aber die vollvariable Ventiltriebvorrichtung leicht montieren und demontieren.
Bei dem auf der Achse angeordneten Bauteil kann es sich grundsätzlich um ein beliebiges Bauteil handeln. Je nach Ausführungsform der Übertragungseinrichtung kann das Bauteil verschieden sein. Besonders bevorzugt werden jedoch vollvariable Ventiltriebvorrichtungen mit einer Übertragungseinrichtung, die einen von der Nocke betätigten Zwischen-, Schwenk- oder Kipphebel, insbesondere einen Doppel- oder Gabelhebel, eine Zwischenhülse, ein, entlang einer Kulisse geführten, Kulissenzwischenlager und Spannfedern umfasst, so dass es sich bei dem wenigstens einen Bauteil um eines oder mehrere dieser genannten Teile handelt.
Es ist wünschenswert, auch hochdrehende Ottomotoren mit einer erfindungsgemäßen vollvariablen Ventiltriebvorrichtung versehen zu können. Weil solche Motoren Kurbelwellenumdrehungen von 8.000 Umdrehungen pro Minute bis 10.000 Umdrehungen pro Minute oder mehr erreichen, ist es von Vorteil, wenn sich die Masse der Ventilhubvorrichtung verringern lässt. Deshalb handelt es sich bei der Achse bevorzugt um eine Hohlachse. Vorteilhafterweise ist eine solche Achse aus einem abgelängten Rohr als Rohling gefertigt. Da bei der erfindungsgemäßen vollvariablen Ventiltriebvorrichtung keine Nuten oder sonstige Ausnehmungen an der Achse für die Verbindung des Sicherungselements mit der Achse mehr notwendig sind, kann die Wandstärke der Achse wesentlich dünner gewählt werden als bei hohlen Achsen bekannter vollvariable Ventiltriebvorrichtungen, wodurch sich bei der erfindungsgemäßen vollvariablen Ventiltriebvorrichtung zusätzlich ein Vielfaches mehr an Masse einsparen lässt.
Verbrennungskraftmaschinen weisen in der Regel mehrere Zylinder auf, so dass es von Vorteil ist, wenn für jeden Zylinder eine vollvariable Ventiltriebvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist. Dabei findet die Verbrennungskraftmaschine bevorzugt in einem Kraftfahrzeug ihren Einsatz.
Die Erfindung fördert die Herstellbarkeit eines vollvariablen Ventiltriebs. Die Achse, die idealerweise aus einem abgelenkten Rohr als Rohling gefertigt ist, ist nach einer Ausgestaltung ein gehärtetes Metall. Weil kein weiterer Einstich in das Rohr durchzuführen ist, kann die Wandstärke des Rohrs bzw. des Lagers sehr dünn gewählt werden. In der Fertigung erspart man sich einen weiteren Arbeitsgang, da die Fertigung des Einstichs wegfällt. So braucht die Achse nur abgelängt und von außen spitzenlos geschliffen zu werden.
Mit dem Rohling als einer der ersten Herstellschritte kann ein Verfahren zum Herstellen einer vollvariablen Ventiltriebvorrichtung durchgeführt werden, das die folgenden Schritte umfasst: zunächst ein Ablängen eines Rundlings, insbesondere eines gehärteten Hohlrohrs, wobei vorzugsweise der Rundling über eine sich aus den auffädelnden Bauteilen ergebenden Länge nach dem Ablängen hinaussteht, dann ein Aufschieben wenigstens eines auf dem Rundling zu lagernden Bauteils, vorzugsweise wenigstens drei Bauteile und anschließend das axiale Sichern des oder der zu lagernden Bauteil durch ein Sicherungselement. Die Länge des abgelängten Rohlings, der die Achse darstellt, wird aus der Breite der Bauteile, die aufzufädeln sind, zuzüglich einer maximal zu erwartenden Breitentoleranz bestimmt, wobei eine geringe zusätzliche Breite eingehen kann. Somit kann mit immer der gleichen Achsenlänge gearbeitet werden.
Das Sicherungselement schütz gegen axiales Auseinanderfallen der Bauteile, auch in der Produktion, wenn die Ventiltriebeinheit, die Übertragungseinheit, zu einem Zylinderkopf weiterzutransportieren ist.
Nach einem weiteren Aspekt kann eine Ausführung gewählt werden, die distanzscheibenfrei ist. Die Distanzscheiben müssen nicht mehr zwischen Sicherungselement und dem nächsten Bauteil auf der Achse angeordnet werden um Toleranzen auszugleichen. Es entfällt durch die Distanzscheibenfreiheit ein aufwendiges Ausmessen, Montieren und Vorhalten von Distanzringen verschiedener Größe.
Figurenbeschreibung
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer vollvariablen Ventiltriebvorrichtung;
2 eine perspektivische Ansicht einer Übertragungseinrichtung der vollvariablen Ventiltriebvorrichtung aus 1;
3a einen Querschnitt durch ein geschlossenes ringförmiges Sicherungselement mit quadratischem Querschnitt;
3b eine Draufsicht auf das Sicherungselement der 3a;
4 eine Draufsicht auf ein offenes ringförmiges Sicherungselement;
5 ein auf einer Achse angeordnetes offenes Sicherungselement mit drei Kontaktbereichen; und
6 eine schematische Darstellung eines vollvariablen Ventiltriebs, der einen Gabelhebel umfasst.
Eine vollvariable Ventiltriebvorrichtung 1 zur Hubverstellung von zwei Gaswechselventilen 2 einer Verbrennungskraftmaschine ist in 1 in perspektivischer Ansicht gezeigt. Die vollvariable Ventiltriebvorrichtung 1 weist im Wesentlichen eine Nockenwelle 3 mit Nocken, die in der Figur nicht zu sehen sind, sowie eine Übereintragungseinrichtung 4 auf, wobei die Übertragungseinrichtung 4 zwei auf einer Achse 5 angeordnete Zwischenhebel 6 sowie eine Zwischenhülse 7 umfasst. Die Zwischenhülse 7 ist dazu bestimmt, an einer Kulisse abzurollen. Die Zwischenhülse 7 dient als Abstandshülse zwischen den beiden Zwischenhebeln 6. Je einer der Zwischenhebel 6 ist dabei einem Gaswechselventil 2 zugeordnet. Weiterhin umfasst die vollvariable Ventiltriebvorrichtung eine Verstellwelle, die als Exzenterwelle 8 mit Exzentern 9 und 10 ausgeführt sein kann.
Infolge einer Drehung der Nockenwelle wird ein veränderlicher Nockenhub bewirkt, der über die Nocken auf den Zwischenhebel einwirkt. Dadurch werden die in einer Kulisse ablaufenden Zwischenhebel 6 betätigt, die wiederum auf die jeweiligen Gaswechselventile 2 einwirken und dadurch den Hub der Gaswechselventile 2 in Abhängigkeit vom Nockenhub bewirken. Die Hubweite und der Hubzeitpunkt der Gaswechselventile 2 lassen sich durch ein Verdrehen der Exzenterwelle 8 einstellen.
In der 2 ist die Übertragungseinrichtung 4 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Zu sehen sind dabei die beiden auf der Achse 5 angeordneten Zwischenhebel 6 sowie die Zwischenhülse 7, die zwischen den beiden Zwischenhebeln 6 ebenfalls auf der Achse 5 angeordnet ist. Die Achse 5 ist als Hohlachse ausgebildet und aus einem gehärteten Metall gefertigt.
Zusätzlich sind an beiden Endabschnitten der Achse 5 jeweilige Sicherungselemente 11 in Form von Klemmringen zu sehen, die reibschlüssig mit der Achse 5 verbunden sind. Die Sicherungselemente 11 sind frei und insbesondere stufenlos auf verschiedenen Positionen auf der Achse 5 positionierbar. Infolge der starken reibschlüssigen Verbindung mit der Achse 5 verhindern die Sicherungselemente 11, dass sich die Kipphebel 6 und die Zwischenhülse 7 im Betrieb der vollvariablen Ventiltriebvorrichtung 1 seitlich auf der Achse 5 verschieben und dadurch von der Achse 5 lösen. Dabei sind die Sicherungselemente 11 derart positioniert, um eine sich durch Aufsummierung von Fertigungstoleranzen der beiden Zwischenhebel 6 und der Zwischenhülse 7 ergebende Gesamttoleranz auf eine gewünschte Toleranz einzustellen bzw. auszugleichen.
Eine einfachere Ausführungsform eines Sicherungselements 11 ist in den 3a und 3b gezeigt, wobei 3a den Querschnitt und 3b die Draufsicht auf eines der Sicherungselemente 11 zeigt. Wie in der 3a zu erkennen ist, weist das Sicherungselement 11 einen quadratischen Querschnitt auf. Aus der 3b ist ersichtlich, dass es sich bei dem Sicherungselement 11 um ein ringförmiges, genauer, um ein geschlossenes ringförmiges Sicherungselement 11 handelt. Das Sicherungselement 11 weist mittig einen Durchlass 12 auf, der im fertig montierten Zustand der vollvariablen Ventiltriebvorrichtung 1 von der Achse 5 durchreicht. Die in diesem Durchlass 12 befindliche Innenfläche 13 des Sicherungselements 11 bildet einen zusammenhängenden Kontaktbereich, mit dem das Sicherungselement 11 im fertig montierten Zustand der vollvariablen Ventiltriebvorrichtung 1 auf der Außenfläche der Achse 5 aufliegt und mit dieser zur Herbeiführung des Reibschlusses zwischen der Achse 5 und dem Sicherungselement 11 in flächigem Kontakt ist.
4 zeigt eine andere Ausführungsform für ein Sicherungselement 14, das zwar wie das zuvor beschriebene Sicherungselement 11 ringförmig ist, das jedoch einen von dessen mittigem Durchlass 15 ausgehenden und sich bis zur Außenfläche 16 des Sicherungselements 14 erstreckenden radialen Spalt 17 aufweist. Aufgrund dieses Spaltes 17 handelt es sich bei dem Sicherungselement 14 um ein offenes ringförmiges Sicherungselement 14 oder einen offenen Klemmring. Wie beim zuvor beschriebenen Sicherungselement 11 der 3a und 3b erfolgt der Reibschluss des Sicherungselements 14 mit der Achse 5 mit seiner im Durchlass 15 befindlichen Innenfläche 18. Das Sicherungselement 14 ist aus einem als Rundmaterial vorliegenden Federdraht oder Federstahl hergestellt.
Ein weiteres Beispiel für ein offenes Sicherungselement 19 ist in der 5 dargestellt. Das offene Sicherungselement 19 unterscheidet sich vom offenen ringförmigen Sicherungselement 14 der 4 zum einen durch einen wesentlich größeren Spalt 20, zum anderen weicht das Sicherungselement 19 von der idealen Kreisform ab, wodurch weder sein Durchlass 21 noch die Innenfläche 22 des Sicherungselements 19 von kreisförmiger Geometrie sind. Im auf der Achse 5 aufgezogenen Zustand des Sicherungselements 19 ergeben sich aus diesem Grund jeweils drei voneinander beabstandete Kontaktbereiche 23, 24, 25, in denen die Innenfläche 22 zur Herstellung eines jeweiligen Reibschlusses in Kontakt mit der Achse 5 ist. Diese Kontaktbereiche 23, 24, 25 sind gleichmäßig um den Umfang der Achse 5 verteilt mit jeweils einem Winkel von ca. 120° (mit einer Abweichung von einigen Grad) zwischen zwei benachbarten Kontaktbereichen 23, 24, 25. Diese besondere Ausführung des Sicherungselements 19 verhindert eine beim kreisrunden offenen Klemmring mögliche Kippelbewegung, wenn z. B. toleranzbedingt die Form des Rings oder der Achse 5 vom idealen Kreis abweicht.
6 zeigt in schematischer Darstellung einen vollvariablen Ventiltrieb 100. Bei diesem wird ein Gaswechselventil 102 eines Verbrennungsmotors mittels eines Kipphebels 101 in die geöffnete Stellung betätigt bzw. gedrückt, wohingegen eine kräftemäßig entgegengerichtete Ventilfeder 103 das Gaswechselventil 102 in die geschlossene Stellung drückt. Der Kipphebel 101 ist um eine geometrische Schwenkachse 134 schwenkbar, welche mittels eines hydraulischen Ventilspielausgleichs 135 in Grenzen verlagerbar ist. Infolge des Ventilspielausgleichs 135 ist gewährleistet, dass der Kipphebel 101 einerseits an einem oberen Stößelende 136 des Gaswechselventils 102 anliegt und andererseits an einer flächigen Arbeitskurve 137 eines Hebels anliegt, der als Zwischenhebel 6a ausgeführt ist. Dieser Zwischenhebel 6a ist zusammen mit einem zweiten Zwischenhebel 6b einer Baueinheit zugehörig, die als Gabelhebel 139 bezeichnet wird und in der 2 näher dargestellt ist. Der Gabelhebel 139 weist vier Linienkontakte 140, 141, 142, 143 gegenüber anderen Bauteilen auf, so dass auch die Lage des Gabelhebels 139 durch die Verlagerung der Linienkontakte 140, 141, 142, 143 veränderbar ist. Die Linienkontakte 140, 141, 142, 143 werden dabei mit einer gehäusefesten Kulisse 144, einer Excenterwelle 108, einer Nockenwelle 3 und dem Kipphebel 101 gebildet. Der Gabelhebel 139 weist eine als Hohlwelle ausgeführte Gabelhebelachse 105 auf, auf die beidseitig von axial außen zur axialen Mitte hin gesehen,

– zwei geschlossene Klemmringe 111a, 111b,
– zwei Zwischenhebel 6a, 6b mit zwei nadelgelagerten äußeren Lagerringen 159a, 159b,
– zwei Distanzhülsen 150a, 150b und
– ein nadelgelagerter mittiger Lagerring 151

Jeder der beiden identisch ausgestalteten Zwischenhebel 6a, 6b weist im Bereich einer Bohrung, in welcher die Gabelhebelachse 5 aufgenommen ist, eine Ausnehmung 30a bzw. 30b auf. Dabei teilt die Ausnehmung 30a bzw. 30b den Zwischenhebel 6a bzw. 6b in zwei Aufnahmelaschen auf, zwischen denen der äußere Lagerring 159a bzw. 159b aufgenommen ist. Da der Zwischenhebel 6a bzw. 6b nahezu starr ist, bildet sich zwischen dem äußeren Lagerring 159a bzw. 159b und den Aufnahmelaschen des Zwischenhebels 6a bzw. 6b ein Axialspiel, dass von der folgend beschriebenen Montage nicht beeinflusst wird. Nachdem

– der mittiger Lagerring 151,
– dessen lose Nadelwälzkörper,
– die beiden Distanzhülsen 150a, 150b und
– die beiden Zwischenhebel 6a, 6b mit den äußeren Lagerringen 159a, 159b und deren Nadelwälzkörpern

5

111a

111b

111a

111b

105

111a

111b

Der Gabelhebel muss nicht beidseitig mit Klemmringen versehen sein. Es kann einseitig auch eine andere Abstützung vorgesehen sein, da einseitig ein Klemmring zum Toleranzausgleich ausreicht. Die Abstützung kann auch mittels eines Absatzes der Gabelhebelachse oder einem Sicherungsring in einer Ringnut verwirklicht werden. Alternativ bietet es sich auch an, einseitig Schraubanschläge im Sinne von Muttern mit Innengewinden zu verwenden.
Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.

1: Vollvariable Ventiltriebvorrichtung
2: Gaswechselventil
3: Nockenwelle
4: Übertragungseinrichtung
5: Achse
6: Zwischenhebel
6a: Zwischenhebel
6b: Zwischenhebel
7: Zwischenhülse
8: Exzenterwelle
9: Exzenter
10: Exzenter
11: Sicherungselement
12: Durchlass
13: Innenfläche
14: Sicherungselement
15: Durchlass
16: Außenfläche
17: Spalt
18: Innenfläche
19: Sicherungselement
20: Spalt
21: Durchlass
22: Innenfläche
23: Kontaktbereich
24: Kontaktbereich
25: Kontaktbereich
30a: erste Ausnehmung
30b: zweite Ausnehmung
100: Ventiltrieb
101: Kipphebel
102: Gaswechselventil
103: Ventilfeder
105: Gabelhebelachse
108: Exzenterwelle
111a: Klemmring
111b: Klemmring
134: Schwenkachse
135: Ventilspielausgleich
136: Stößelende
137: Arbeitskurve
139: Gabelhebel
140: Linienkontakt
141: Linienkontakt
142: Linienkontakt
143: Linienkontakt
144: Kulisse
150a: Distanzhülse
150b: Distanzhülse
151: Lagerring
159a: äußerer Lagerring
159b: äußerer Lagerring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4223173 A1 [0002]
- DE 4326331 A1 [0002]
- DE 10314683 A1 [0002, 0002]
- DE 10323665 A1 [0002]
- DE 102005010182 A1 [0002]
- DE 10033437 A1 [0002]
- DE 2735100 C2 [0005]

Claims

Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) zur Hubverstellung von Gaswechselventilen (2) einer Verbrennungskraftmaschine mit einer wenigstens einen Nocken aufweisenden Nockenwelle (3) und wenigstens einer zwischen wenigstens einem der Gaswechselventile (2) und der Nockenwelle (3) angeordneten Übertragungseinrichtung (4, 139, 144, 101) zur Verstellung wenigstens des Hubs des Gaswechselventils (2) in Abhängigkeit einer Position der Übertragungseinrichtung (4, 139, 144, 101), wobei die Übertragungseinrichtung (4, 139, 144, 101) wenigstens eine längliche Achse (5, 105) und wenigstens ein auf dieser Achse (5, 105) angeordnetes Bauteil (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159a, 159b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (4, 139, 144, 101) wenigstens ein auf der Achse (5, 105) seitlich des Bauteils (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159a, 159b) angeordnetes sowie mit der Achse (5, 105) reibschlüssig verbundenes Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) aufweist, welches ein achsparalleles Verschieben des Bauteils (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159a, 159b) in einer dem Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) zugewandten Richtung hindert.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) innerhalb wenigstens eines für den Reibschluss ausgebildeten Abschnitts der Achse (5, 105) frei positionierbar ist.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) an einer Stelle der Achse (5, 105) positioniert ist, an der es Fertigungstoleranzen des Bauteils (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159A, 159b) allein oder des Bauteils (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159a, 159b) sowie wenigstens eines weiteren auf der Achse (5, 105) angeordneten Bauteils (6, 6a, 6b, 7, 150a, 150b, 159a, 159b) ausgleicht.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (11, 111a, 111b) eine geschlossene Form aufweist.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (14, 19) eine offene Form aufweist.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) einen rechteckigen oder einen runden Querschnitt aufweist.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) einen flächigen Kontakt mit der Achse (5, 105) hat.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (19) wenigstens zwei, insbesondere aber drei diskrete Kontaktbereiche (23, 24, 25) aufweist, in denen es in Kontakt mit der Achse (5) ist.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch gleichmäßig um den Umfang der Achse (5) verteilte Kontaktbereiche (23, 24,25).
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (5, 105) und das Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) aus Materialien mit im Wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gefertigt sind.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Achse (5, 105) und Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) aus dem gleichen Material hergestellt sind.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) aus Federstahl gefertigt ist.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (5, 105) aus einem gehärteten Metall gefertigt ist.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstreifkraft für das Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) mindestens 250 N, vorzugsweise entweder mindestens 350 N oder mindestens 500 N beträgt.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abstreifkraft im Bereich zwischen 250 N und 350 N befindet.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifkraft 300 N beträgt.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159a, 159b) ein von der Nocke betätigter Zwischen- oder Kipphebel (6, 6a, 6b, 111a, 111b, 139), insbesondere ein Doppel- oder Gabelhebel (139), eine Zwischenhülse (7), eine Kulisse oder ein Kulissenzwischenlager ist.
Vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (5, 105) eine Hohlachse ist.
Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens einer vollvariablen Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei insbesondere die Verbrennungskraftmaschine mehr als einen Zylinder aufweist und für jeden Zylinder eine vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 19.
Verfahren zum Herstellen einer vollvariablen Ventiltriebvorrichtung (1) umfassend die Schritte: – Ablängen eines Rundlings, insbesondere eines gehärteten Hohlrohrs (5, 105), wobei vorzugsweise der Rundling über eine sich aus den auffädelnden Bauteilen (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159a, 159b) ergebenden Länge nach dem Ablängen hinaussteht, – Aufschieben wenigstens eines auf dem Rundling zu lagernden Bauteils (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159a, 159b), vorzugsweise wenigstens drei Bauteile (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159a, 159b) und – axiales Sichern des zu lagernden Bauteils (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159a, 159b) durch ein Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b).
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die vollvariable Ventiltriebvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 durch das Sicherungselement (11, 14, 19, 111a, 111b) gegen axiales Auseinanderfallen der Bauteile (6, 6a, 6b, 7, 139, 150a, 150b, 159a, 159b) geschützt wird.