DE102008022937A1

DE102008022937A1 - Raumnockenventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008022937A1
Application number: DE102008022937A
Authority: DE
Inventors: Jens Schäfer; Sebastian Zwahr
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaefer Jens De
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Raumnockenventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Raumnocken (1) einer Ventilnockenwelle und mindestens einem zugeordneten Übertragungsglied, welches über ein Abgriffselement (2) mit dem mindestens einen Raumnocken (1) in Verbindung steht, wobei über den Kontakt zwischen Raumnocken (1) und Abgriffselement (2) und mittels des mindestens einen Übertragungsgliedes ein Öffnen und anschließendes Schließen mindestens eines zugeordneten Ladungswechselventils entsprechend einer Erhebungskontur (4) des mindestens einen Raumnockens (1) stattfindet, wobei ferner die Erhebungskontur (4) des mindestens einen Raumnockens (1) in axialer Richtung mindestens in einem Abschnitt die Form einer konkaven Kurve (5) aufweist, während das Abgriffselement (2) aus einem, in mindestens einem Abschnitt in axialer Richtung konvex gekrümmten, tonnenartigen Körper gebildet ist, wobei die Krümmungen der Erhebungskontur (4) in axialer Richtung des mindestens einen Raumnockens (1) und der Oberfläche (6) des Abgriffselements (2) einander entsprechen, um bei einer Betätigung des mindestens einen zugeordneten Ladungswechselventils über den mindestens einen Raumnocken (1) mittels des mindestens einen Übertragungsgliedes eine linienförmige Kontaktfläche (7') zwischen Raumnocken (1) und Abgriffselement (2) zu erzielen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Raumnockenventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Raumnocken einer Ventilnockenwelle und mindestens einem, zugeordneten Übertragungsglied, welches über ein Abgriffselement mit dem mindestens einen Raumnocken in Verbindung steht, wobei über den Kontakt zwischen Raumnocken und Abgriffselement und mittels des mindestens einen Übertragungsgliedes ein Öffnen und anschließendes Schließen mindestens eines zugeordneten Ladungswechselventils entsprechend einer Erhebungskontur des mindestens einen Raumnockens stattfindet.
Hintergrund der Erfindung
Zur Steuerung des Ladungswechsels bei nach dem Viertaktprinzip arbeitenden Brennkraftmaschinen werden im allgemeinen Ladungswechselventile verwendet, welche über Ventilnockenwellen und Übertragungsglieder angesteuert wer den. Hierbei charakterisiert die Kontur des jeweiligen Nockens der Ventilnockenwelle den Öffnungs- und Schließverlauf des jeweiligen Ventils. Im Bereich der Ottomotoren werden zudem zunehmend vollvariable Ventiltriebe verwendet, um die Drosselverluste eines herkömmlichen Ottomotors zu minimieren und somit eine Steigerung des Wirkungsgrades und eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zu erreichen.
Eine Ausführungsform eines vollvariablen Ventiltriebes ist hierbei die Verwendung einer Ventilnockenwelle mit dreidimensional ausgebildeten Nocken, so genannten Raumnocken, wobei die Ventilnockenwelle über Steuereinrichtungen axial verschoben und radial verdreht werden kann. Die Erhebungskontur des jeweiligen Nockens ist dabei in axialer und/oder radialer Richtung variabel ausgebildet.
Stand der Technik
Aus der US 3618573 ist bereits ein Raumnockenventiltrieb bekannt, bei welchem entsprechend einer Anzahl an Ladungswechselventilen Raumnocken entlang einer axial verschiebbaren Ventilnockenwelle angeordnet sind. Zur Betätigung des jeweiligen Ladungswechselventils ist zwischen jedem Raumnocken und jedem Ladungswechselventil ein Schlepphebelmechanismus als Übertragungsglied vorgesehen, welcher entsprechend der Erhebungskontur des Nockens ein Öffnen bzw. Schließen des Ladungswechselventils einleitet. Durch eine axiale Verschiebung der Ventilnockenwelle ändert sich dabei der mit dem Schlepphebel in Kontakt tretende Teil der Erhebungskontur, was zu unterschiedlichen Ventilhüben führt. Der jeweilige Raumnocken weist hierbei in axialer Richtung eine linear steigende Erhebung auf.
Nachteilhaft am bekannten Stand der Technik ist, dass aufgrund der linear steigenden Kontur in axialer Richtung des Raumnockens bei Betätigung des jeweiligen Ladungswechselventils ein punktförmiger Kontakt zwischen Raumnocken und Schlepphebel besteht, was zu hohen Flächenpressungen in Raumnocken und Schlepphebel führt.
Aus der EP 0 869 262 A2 ist ein weiterer Raumnockenventiltrieb bekannt, bei welchem durch, auf einer axial verschiebbaren Ventilnockenwelle angeordnete Raumnocken Ladungswechselventile über Tassenstößel betätigbar sind. Hierbei weist die Erhebungskontur des jeweiligen Raumnockens in axiale Richtung eine lineare Charakteristik auf. Um eine Kontaktfläche zwischen Raumnocken und Tassenstößel zu vergrößern, ist zwischen diesen beiden Bauteilen ein Steg mit einem halbkreisförmigen Querschnitt angeordnet. Dieser Steg steht mit seiner flachen Seite mit der Kontur des Raumnockens in Kontakt, während er mit seiner halbkreisförmigen Oberfläche verdrehbar im Tassenstößel geführt ist, um der axialen Erstreckung der Nockenerhebungskontur folgen zu können.
Nachteilhaft an einer derartigen Ausführung ist, dass die linienförmige Kontaktfläche zwischen Steg und Raumnocken aufgrund der geraden Oberfläche des Stegs und der Anordnungsrichtung bezüglich des Nockens klein ist. Zudem bleibt bei einer axialen Verschiebung der Ventilnockenwelle in der Grundkreisphase des Raumnockens dieser kleine linienförmige Kontakt bestehen und führt im Vergleich zu einem punktförmigen Kontakt zu einer höheren Reibung zwischen Steg und Raumnocken.
Aufgabenstellung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Raumnockenventiltrieb zu schaffen, bei welchem während der Betätigung eines zugeordneten Ladungswechselventils ein möglichst großer, linienförmiger Kontakt zwischen Raumnocken und dem jeweiligen Abgriffselement besteht, während in der Grundkreisphase des Raumnockens ein nahezu punktförmiger Kontakt zwischen Abgriffselement und Nocken vorhanden ist, um die auftretende Reibung bei einer axialen Verschiebung der Ventilnockenwelle während dieser Phase möglichst gering zu halten.
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die darauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung umfasst die technische Lehre, dass die Erhebungskontur des mindestens einen Raumnockens in axialer Richtung mindestens in einem Abschnitt die Form einer konkaven Kurve aufweist, während das Abgriffselement aus einem, in mindestens einem Abschnitt in axialer Richtung konvex gekrümmten, tonnenartigen Körper gebildet ist. Dabei entsprechen sich die Krümmungen der Erhebungskontur in axialer Richtung des Raumnockens und der Oberfläche des Abgriffselements. Dies hat zur Folge, dass bei einer Betätigung eines zugeordneten Ladungswechselventils über den Raumnocken zwischen Raumnocken und Abgriffselement ein linienförmiger Kontakt besteht. Des Weiteren weist die Kontaktfläche in einer Grundkreisphase des Raumnockens aufgrund der konvex gewölbten Oberfläche des Abgriffselements eine punktähnliche Form auf.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung setzt sich die Erhebungskontur in axialer Richtung aus einem konstanten Radius zusammen. Vorteilhaft ist hierbei, dass der Aufwand zur Konstruktion einer derartigen Erhebungskontur niedrig ist.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Erhebungskontur in axialer Richtung aus einer Vielzahl von Einzelradien zusammengesetzt. Durch eine derartige Erhebungskontur lassen sich bei einer axialen Verschiebung der Ventilnockenwelle unterschiedliche Ventilhübe unabhängiger voneinander gestalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt der Unterschied zwischen den Krümmungen von Erhebungskontur in axialer Richtung und Oberfläche des Abgriffselements bei Kontakt zwischen dem Raumnocken und Abgriffselement an axialen Enden des Abgriffselements maximal 5 μm. Durch diese geringe Abweichung wird während der Betätigung des zugeordneten La dungswechselventils eine möglichst große Kontaktfläche zwischen Abgriffselement und Raumnocken gewährleistet.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Raumnocken bei kleiner werdender axialer Erstreckung auch eine kleiner werdende radiale Erstreckung der Erhebungskontur auf. Dadurch kann bei einer Ansteuerung des zugeordneten Ladungswechselventils mit sinkendem Ventilhub auch eine Reduzierung der Öffnungsdauer erreicht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Abgriffselement aufgrund einer Lagerung im Übertragungsglied der Erhebungskontur des Raumnockens in axialer Richtung durch Schrägstellen folgen. Durch diese Maßnahme kann sich das Abgriffselement mit seiner Oberfläche an die Kontur des Raumnockens optimal anschmiegen, wodurch eine große Kontaktfläche erreichbar ist.
In Weiterbildung der Erfindung entspricht eine, sich bei einer Nichtbetätigung des mindestens einen zugeordneten Ladungswechselventils ausbildende, punktförmige Kontaktfläche zwischen Raumnocken und Abgriffselement zu 33% der linienförmigen Kontaktfläche. Dies hat den Vorteil, dass sich durch eine derartig kleine Kontaktfläche bei der Nichtbetätigung des Ladungswechselventils, also in der Grundkreisphase des Raumnockens, geringe Reibungswerte zwischen Raumnocken und Abgriffselement bei einer axialen Verschiebung der Ventilnockenwelle erzielen lassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen eine steigende und eine fallende Flanke der radialen Erstreckung der Erhebungskontur jeweils eine konkave Charakteristik auf. Vorteilhaft ist hierbei, dass somit große Ventilöffnungs- und Schließgeschwindigkeiten erreicht werden können.
Die Erhebungskontur des Raumnockens des erfindungsgemäßen Raumnockenventiltriebs kann konstruiert werden, indem Maximalhubpunkte einer gewünschten Volllastkontur und einer gewünschten Leerlaufkontur miteinander über einen konstanten Radius oder mehrere Einzelradien zum Bilden einer, sich in axialer Richtung erstreckende Maximalhubkurve verbunden werden. Die dabei gewählte Maximalhubkurve ist konkav ausgebildet und entspricht der konvex gekrümmten Oberfläche des zugehörigen Abgriffselements. Die Krümmung der Maximalhubkurve definiert dabei die spätere Neigung des Abgriffselements bei der jeweiligen axialen Stellung des Raumnockens. Der restliche Teil der Erhebungskontur wird konstruiert, indem das Abgriffselement virtuell entsprechend seiner Neigung im 360°-Winkel und in verschiedenen axialen Positionen um die Maximalhubkurve herum geführt wird.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht bezüglich der Platzierung von Raumnocken und Abgriffselementen zueinander; und
2a bis 2c Seitenansichten der Positionen von Raumnocken und Abgriffselement zu verschiedenen Zeitpunkten, sowie jeweilige Draufsichten mit Andeutungen der vorherrschenden Kontaktfläche.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Raumnockenventiltriebs zu sehen, wobei nur eine relative Position eines Raumnockens 1 zu einem Abgriffselement 2 dargestellt ist. Der Raumnocken 1, welcher auf einer hier nicht dargestellten Ventilnockenwelle angeordnet ist, weist einen zylindrischen Grundkörper 3 auf, auf welchem eine sich in axialer und radialer Richtung erstreckende Erhebungskontur 4 aufgesetzt ist. Diese Erhebungskontur 4 weist in axialer Richtung einen konkaven Verlauf 5 auf, welcher in diesem Fall aus einem konstanten Radius gebildet ist. Das Abgriffselement 2 liegt in Form eines tonnenartigen Körpers mit einer konvex gekrümmter Oberfläche 6 vor, über welche es mit dem Raumnocken 1 in Kontakt steht. Des Weiteren ist das Abgriffselement 2 entlang seiner Längsmittelachse in einem hier nicht dargestellten Betätigungsglied rotierbar gelagert, wobei es aufgrund der Art der Lagerung eine Schrägstellung gegenüber dem Raumnocken 1 ausführen kann, um dessen Erhebungskontur 4 zu folgen. Die Krümmungen der Oberfläche 6 des Abgriffselements 2 und der konkaven Kurve 5 der Erhebungskontur 4 entsprechen einander und weichen an axialen Enden des Abgriffselements 2 vorzugsweise um maximal 5 μm voneinander ab. Allerdings sind in diesem Bereich auch Abweichungen im Bereich von 10 μm oder 100 μm denkbar, wobei sich in diesem Fall die erreichbare Größe der Kontaktfläche zwischen Raumnocken 1 und Abgriffselement 2 entsprechend ändert.
Die 2a bis 2c zeigen jeweils Seitenansichten des erfindungsgemäßen Raumnockenventiltriebes zu unterschiedlichen Zeiten des Kontakts zwischen Raumnocken 1 und Abgriffselement 2. Zudem wird jeweils in einer Draufsicht die zu dem jeweiligen Zeitpunkt vorherrschende Kontaktfläche 7 oder 7' dargestellt. In 2a ist der Kontakt zwischen Raumnocken 1 und Abgriffselement 2 zu einem Zeitpunkt der Nichtbetätigung des jeweils zugeordneten Ladungswechselventils dargestellt. In diesem Fall steht das Abgriffselement 2 mit dem zylindrischen Grundkörper 3 des Raumnockens 1 in Kontakt, wobei eine entsprechende Kontaktfläche 7 zwischen den beiden aufgrund des Aufsetzens der konvexen Oberfläche 6 des Abgriffselements 2 auf der in axialer Richtung ebenen Oberfläche des zylindrischen Grundkörpers 3 nahezu punktförmig ausgebildet ist. Zur Betätigung eines Ladungswechselventils tritt das Abgriffselement 2 mit der Erhebungskontur 4 des Raumnockens 1 in Kontakt, wie in den 2b und 2c dargestellt. Dadurch, dass sich dieser Kontakt zwischen der konvexen Oberfläche 6 des Abgriffselements 2 und der konkaven Kurve 5 der Er hebungskontur 4 ausbildet, nimmt die Kontaktfläche 7' eine linienförmige Form an. Durch die somit größere Fläche des Kontaktes 7' kann die Flächenpressung bei einer Betätigung des Ladungswechselventils entsprechend verringert werden.

1: Raumnocken
2: Abgriffselement
3: zylindrischer Grundkörper
4: Erhebungskontur
5: konkave Kurve
6: Oberfläche Abgriffselement
7, 7': Kontaktfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3618573 [0004]
- EP 0869262 A2 [0006]

Claims

Raumnockenventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens einem Raumnocken (1) einer Ventilnockenwelle und mindestens einem, zugeordneten Übertragungsglied, welches über ein Abgriffselement (2) mit dem mindestens einen Raumnocken (1) in Verbindung steht, wobei über den Kontakt zwischen Raumnocken (1) und Abgriffselement (2) und mittels des mindestens einen Übertragungsgliedes ein Öffnen und anschließendes Schließen mindestens eines zugeordneten Ladungswechselventils entsprechend einer Erhebungskontur (4) des mindestens einen Raumnockens (1) stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungskontur (4) des mindestens einen Raumnockens (1) in axialer Richtung mindestens in einem Abschnitt die Form einer konkaven Kurve (5) aufweist, während das Abgriffselement (2) aus einem, in mindestens einem Abschnitt in axialer Richtung konvex gekrümmten, tonnenartigen Körper gebildet ist, wobei die Krümmungen der Erhebungskontur (4) in axialer Richtung des mindestens einen Raumnockens (1) und der Oberfläche (6) des Abgriffselements (2) einander entsprechen, um bei einer Betätigung des mindestens einen zugeordneten Ladungswechselventils über den mindestens einen Raumnocken (1) mittels des mindestens einen Übertragungsgliedes eine linienförmige Kontaktfläche (7') zwischen Raumnocken (1) und Abgriffselement (2) zu erzielen.
Raumnockenventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Erhebungskontur (4) in axialer Richtung aus einem konstanten Radius zusammensetzt.
Raumnockenventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungskontur (4) in axialer Richtung aus einer Vielzahl von Einzelradien zusammengesetzt ist.
Raumnockenventiltrieb nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied zwischen den Krümmungen der Erhebungskontur (4) in axialer Richtung und der Oberfläche (6) des Abgriffselements (2) bei Kontakt zwischen dem mindestens einen Raumnocken (1) und Abgriffselement (2) an axialen Enden des Abgriffselements (2) maximal 5 μm beträgt.
Raumnockenventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Raumnocken (1) bei kleiner werdender axialer Erstreckung auch eine kleiner werdende radiale Erstreckung der Erhebungskontur (4) aufweist.
Raumnockenventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgriffselement (2) aufgrund einer Lagerung im mindestens einen Übertragungsglied der Erhebungskontur (4) des mindestens einen Raumnockens (1) in axialer Richtung durch Schrägstellen folgen kann.
Raumnockenventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine, sich bei einer Nichtbetätigung des mindestens einen zugeordneten Ladungswechselventils ausbildende, punktförmige Kontaktfläche (7) zwischen Raumnocken (1) und Abgriffselement (2) zu 33% der linienförmigen Kontaktfläche (7') entspricht.
Raumnockenventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine steigende und eine fallende Flanke der radialen Erstreckung der Erhebungskontur (4) jeweils eine konkave Charakteristik aufweisen.
Brennkraftmaschine, umfassend mindestens einen Raumnockenventiltrieb gemäß einem der Ansprüche 1–8.