DE102009019788B4 - System zur Steuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

System zur Steuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine umfassend- eine Nockenwelle (2) mit einem wellenartigen, zumindest einen Nocken (4) aufweisenden Trägerkörper (6), sowie- einen mit dem Nocken (4) zur Übertragung der Nockenkontur wirkverbundenen Nockenfolger (8), wobei der Nockenfolger (8) über einen rotierbar gelagerten Rollkörper (10) auf den Nocken (4) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass- der Nocken (4) eine Nockenbreite (b) aufweist, die geringer ist als eine Rollkörperbreite (bR) des mit dem Nocken (4) zusammenwirkenden Rollkörpers (10) des Nockenfolgers (8), wobei das Verhältnis zwischen Nockenbreite (b) und Rollkörperbreite (b) in einem Bereich zwischen 1 : 1,2 bis 1 : 1,7 beträgt, wobei der Nocken (4) an den Konturkanten seiner beiden seitlichen Stirnflächen zur Bildung von Fasen (F) derart umfänglich angefast ist, dass eine wirksame Kontaktbreite (b) des Nockens (4) zum Rollkörper (10) um 20% kleiner ist als die Nockenbreite (b), wobei die Fasen (F) jeweils derart ausgeführt sind, dass sich zwischen der Fasenfläche (A) der jeweiligen Fasen (F) und einer wirksamen Kontaktfläche (A) der wirksamen Kontaktbreite (b) des Nockens (4) ein Winkel (α) von 35° ergibt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Steuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Derartige Systeme, die im Wesentlichen eine Nockenwelle mit einem oder mehreren Nocken sowie ein mit dem mindestens einen Nocken zusammenwirkenden Nockenfolger aufweisen, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Auch die Verwendung eines Schlepphebels der an seinem dem Nocken zugeordneten freien Ende einen Rollkörper aufweist (sog. Rollenschlepphebel), um eine möglichst reibungsarme Kontaktierung zum Nocken zu gewährleisten, ist bereits seit geraumer Zeit bekannt. Derartige Ventiltriebanordnungen haben sich in der Vergangenheit bereits vielfach bewährt.
• Aus der US 5 161 429 A ist beispielsweise eine Nockenvorrichtung bekannt geworden, bei welcher die Lauffläche des Nockens eine geringere Breite aufweisen kann, als die Breite (length) des Nockenfolgers, welcher in Form eines Rollenelementes ausgestaltet sein kann.
• In der CH 213 789 A ist ein Aufbau eines Nockentriebes beschrieben, bei welchem lediglich die Breite der Lauffläche des Grundkreises des Nockens gegenüber derjenigen des Nockenscheits verringert ist. Die nicht tragenden Flächen beiderseits der Lauffläche des Grundkreises können als Kegelmäntel oder Zylindermäntel ausgebildet sein.
• In der JP S63- 23 578 Y2 ist eine Nockenwelle beschrieben, deren Nocken ein Abgriffselement (Nockenfolger) kontaktiert. Der Nocken ist in Gestalt eines Bundnockens ausgebildet, dessen Gesamtbreite größer ist, als die Breite der Nockenbahn, welche eine Kontaktfläche zur Kontaktierung des Nockenfolgers aufweist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gattungsgemäßes System bereit zu stellen, welches unter Beibehaltung der Betriebssicherheit eine Verringerung der rotierenden Massen erlaubt.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung weist der Nocken der Nockenwelle eine geringere Breite auf als der mit dem Nocken zusammenwirkende Rollkörper des Schlepphebels. Erfindungsgemäß beträgt das Breitenverhältnis zwischen Nockenbreite und Rollkörperbreite 1 : 1,2 bis 1 : 1,7.
• Weiter erfindungsgemäß ist zumindest der Nocken beidseitig (d.h. an den Konturkanten seiner beiden seitlichen Stirnflächen) umfänglich angefast, so dass seine wirksame Kontaktbreite zum Rollkörper kleiner als die tatsächliche Breite des Nockens ist - nämlich ist die wirksame Kontaktbreite um 20 % kleiner als die Nockenbreite. Zur weiteren Reduzierung hertzscher Flächenpressungen (zwischen wirksamer Nockenfläche oder Teilen hiervon und dem Rollkörper bzw. Teilen des Rollkörpers) ist vorgesehen, den Übergang zwischen der wirksamen Kontaktfläche des Nockens und der Fläche der seitlichen Fase abzurunden und im Übergangsbereich einen vorbestimmten Radius vorzusehen. Dieser Radius ist mit Vorteil derart bemessen, dass die im Querschnitt gesehen sich in einem Punkt schneidenden Geraden der wirksamen Kontaktfläche des Nockens und der jeweiligen seitlichen Fasenfläche Tangenten eines gedachten inneren Kreises bilden. Mit Vorteil beträgt der Radius 0,3 bis 0,6 mm - bevorzugt 0,5 mm.
• Um die bei der erfindungsgemäßen Konstruktion noch verbleibenden hertzschen Flächenpressungen aufnehmen zu können, werden mit Vorteil sowohl der Nocken als auch der jeweils mit dem Nocken zusammenwirkende Rollkörper (zumindest im Bereich ihrer Kontaktflächen) aus einem Wälzlagerstahl mit einer adäquaten Härte (55 HRC (Härtemessung nach Rockwell)) eines Wälzlagerstahls mit der DIN- Bezeichnung 1.3505 (nach DIN (Deutsche Industrie Norm) EN ISO 683-17) nach entsprechender Wärmebehandlung ausgeführt. Durch die entsprechende Wärmebehandlung wird erreicht, dass eine zulässige hertzsche Pressung von 1800 N/mm² erzielt werden kann.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Nockenwelle gemäß der in der DE 41 21 951 Cl beschriebenen Ausführungsform ausgebildet. Hiermit wird - insbesondere im Hinblick auf die Befestigungsweise eines geschmiedeten Nockens auf einem separaten Nockenwellenkörper - vollumfänglich Bezug auf die vorstehend genannte Druckschrift genommen und deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt in die Erfindung mit einbezogen. Gemäß der DE 41 21 951 C1 wird ein durch Schmieden geformter Nocken, der eine insbesondere kreisrunde oder ovale Ausnehmung zur Aufnahme des Nockenwellenkörpers aufweist, kraftschlüssig auf dem Nockenwellenkörper befestigt. Hierfür ist der Nockenwellenkörper (wellenartiger Trägerkörper für Nocken) im Bereich seiner Aufnahme für einen Nocken zumindest bereichsweise im Durchmesser aufgeweitet, indem der besagte Oberflächenbereich des Nockenwellenkörpers durch Rollen oder Walzen eine Materialverdrängung erfährt, derart, dass in Umfangsrichtung der Nockenwelle umlaufende Wülste oder Stege gebildet werden. Dabei kann die kreisringförmige Innenfläche des Nockens bzw. die Innenfläche der axialen Aufnahme für den Trägerkörper im Wesentlichen plan oder konturiert ausgebildet sein. Durch eine konturierte Ausbildung der inneren Aufnahmefläche - etwa durch zumindest eine axial verlaufende Nut - kann der Kraft- bzw. Reibschluss zwischen Nocken und Nockenwellenkörper zu einem Kraft- und Formschluss erweitert werden.
• Insgesamt betrachtet sind die Nockenelemente gemäß der Erfindung erheblich schmaler ausgeführt als die mit ihnen zusammenwirkenden Rollen (Rollkörper) der Schlepphebel. Dabei sind die schmalen Nockenelemente an der Lauffläche profiliert ausgeführt (beidseitige Fase - insbesondere mit Übergangsradius zur Lauffläche) damit im jeweiligen Kontaktbereich zum Rollkörper keine zu grossen Spannungsüberhöhungen auftreten. Die Kontaktfläche zwischen Nocken und Rollkörper (theoretisch eine Linienberührung) bildet sich in der Lauffläche des Rollkörpers ab. Durch die erfindungsgemäße Auslegung der Verschleisspartner Nocken und Rollkörper wird die hertzsche Flächenpressung zwar nicht unerheblich erhöht - dies wird jedoch durch die konstruktive Ausgestaltung und die Ausführung der Verschleisspartner in einem geeigneten Wälzlagerstahl (z.B. 100Cr6 oder vergleichbar - mit Härtungs-Wärmebehandlung) mehr als kompensiert, so dass eine dauerhaltbare Konstruktion mit äusserst geringen rotierenden Massen geschaffen werden konnte. Eine derartige Ausführung der Verschleisspartner Nocken und Rollkörper ermöglicht eine Nockenwellenleichtbauweise sowie eine Reduzierung des relevanten polaren Massenträgheitsmoments zur Erreichung einer entsprechenden Dynamik. Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Zeichnungsdarstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
• Es zeigen:
• 1 eine ausschnittsweise Darstellung des erfindungsgemäßen Systems mit Nockenwelle und einem mit dem Nocken zusammenwirkenden Rollkörper,
• 2 eine ausschnittsweise Vergrößerung im Bereich der Kontaktfläche zwischen Nocken und Rollkörper gemäß Ausschnitt A in 1, sowie
• 3 eine ausschnittsweise Vergrößerung im Bereich der Kontaktfläche zwischen Nocken und Rollkörper im Übergangsbereich zwischen wirksamer Nocken-Kontaktfläche und Nocken-Fasenfläche gemäß Ausschnitt B in 2.
• 1 zeigt das erfindungsgemäße System zur Steuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung. Das System umfasst im Wesentlichen eine Nockenwelle 2 mit einem wellenartigen zumindest einen Nocken 4 aufweisenden Trägerkörper 6 sowie einen mit dem Nocken 4 zur Übertragung der Nockenkontur wirkverbundenen Nockenfolger 8, wobei der Nockenfolger 8 über einen rotierbar gelagerten Rollkörper 10 auf den Nocken 4 wirkt. Das bevorzugte Breitenverhältnis zwischen Nockenbreite b_N und Rollkörperbreite b_R beträgt 1 : 1,2 bis 1 : 1,7.
• Zur Verdeutlichung einer Ausführungsform der Erfindung, ist der Kontaktbereich zwischen dem Nocken 4 und dem Rollkörper 10 gemäß Ausschnitt A in 1 in 2 gezeigt. Mit Vorteil weist der Nocken 4 beidseitig jeweils eine Fase F_N auf. Dabei ist die Fase F_N derart bemessen, dass die wirksame Nocken-Kontaktfläche A_{K_N} (bzw. die entsprechende Nocken-Kontaktbreite b_{K_N} ) im Vergleich zur Nocken-Kontaktfläche ohne Fase F_N (bzw. im Vergleich zur Nockenbreite b_N ) um 20 % verringert ist. Die verbleibende wirksame Nocken-Kontaktbreite b_{K_N} (die gleich der wirksamen Rollkörperbreite b_{K_R} ist) beträgt zwei Drittel (2/3) der potentiell wirksamen Rollkörper-Laufflächenbreite b_{L_R} . Die Fase F_N am Nocken 4 ist derart ausgeführt, dass sich zwischen der Fasenfläche A_{F_N} und der wirksamen Nocken-Kontaktfläche A_{K_N} (bzw. der Rollkörperlauffläche A_{K_R} ) im dargestellten Querschnitt gesehen ein Winkel α von 35° Grad ergibt. Darüber hinaus ist der Nocken 4 in seiner umfänglichen Gestalt derart ausgebildet, dass der Übergang zwischen der Fasenfläche A_{F_N} und der wirksamen Kontaktfläche A_{K_N} über einen vorbestimmten Radius r abgerundet ist. Dabei ist der Radius r mit Vorteil derart bemessen, dass die im Querschnitt gesehen sich im Punkt P schneidenden Geraden der Kontaktfläche A_{K_N} und der Fasenfläche A_{F_N} Tangenten eines innen liegenden Kreises K bilden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch der Rollkörper 10 mit seitlichen Fasen F_R und Fasenflächen A_{F_R} versehen, so dass sich eine im Vergleich zur Rollkörperbreite b_R reduzierte Rollkörper-Laufflächenbreite b_{L_R} (und damit eine reduzierte Rollkörperlauffläche A_{L_R} ergibt.
• In 3 ist eine ausschnittsweise Vergrößerung im Bereich der Kontaktfläche (A_{K_N} ; A_{K_R} ) zwischen Nocken und Rollkörper im Übergangsbereich zwischen wirksamer Nocken-Kontaktfläche A_{K_N} und Nocken-Fasenfläche A_{F_N} gemäß Ausschnitt B in 2 dargestellt.
• Bezugszeichenliste

2

Nockenwelle

4

Nocken

6

Trägerkörper

8

Nockenfolger

10

Rollkörper

b_N

Nockenbreite

b_{K_N}

wirksame Kontaktbreite (Nocken)

b_R

Rollkörperbreite

b_{K_R}

wirksame Kontaktbreite (Rollkörper)

b_{L_R}

Rollkörper-Laufflächenbreite

r

Radius

F_N

Fase (Nocken)

F_R

Fase (Rollkörper)

A_{F_N}

Fasenfläche (Nocken)

A_{F_R}

Fasenfläche (Rollkörper)

A_{K_N}

Kontaktfläche (Nocken)

A_{L_R}

Lauffläche (Rollkörper)

A_{K_R}

Kontaktfläche (Rollkörper)

α

Fasenwinkel

P

Schnittpunkt (Tangenten)

K

Kreis

Claims (7)

1. System zur Steuerung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine umfassend - eine Nockenwelle (2) mit einem wellenartigen, zumindest einen Nocken (4) aufweisenden Trägerkörper (6), sowie - einen mit dem Nocken (4) zur Übertragung der Nockenkontur wirkverbundenen Nockenfolger (8), wobei der Nockenfolger (8) über einen rotierbar gelagerten Rollkörper (10) auf den Nocken (4) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass - der Nocken (4) eine Nockenbreite (b_N) aufweist, die geringer ist als eine Rollkörperbreite (bR) des mit dem Nocken (4) zusammenwirkenden Rollkörpers (10) des Nockenfolgers (8), wobei das Verhältnis zwischen Nockenbreite (b_N) und Rollkörperbreite (b_R) in einem Bereich zwischen 1 : 1,2 bis 1 : 1,7 beträgt, wobei der Nocken (4) an den Konturkanten seiner beiden seitlichen Stirnflächen zur Bildung von Fasen (F_N) derart umfänglich angefast ist, dass eine wirksame Kontaktbreite (b_{K_N}) des Nockens (4) zum Rollkörper (10) um 20% kleiner ist als die Nockenbreite (b_N), wobei die Fasen (F_N) jeweils derart ausgeführt sind, dass sich zwischen der Fasenfläche (A_{F_N}) der jeweiligen Fasen (F_N) und einer wirksamen Kontaktfläche (A_{K_N}) der wirksamen Kontaktbreite (b_{K_N}) des Nockens (4) ein Winkel (α) von 35° ergibt.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Übergang zwischen Fasenfläche (A_{F_N}) und wirksamer Kontaktfläche (A_{K_N}) des Nockens (4) über einen vorbestimmten, umfänglichen Radius (r) abgerundet ist.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der Radius (r) 0,3 bis 0,6 mm beträgt.
4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der zumindest eine Nocken (4) zumindest im Bereich seiner wirksamen Kontaktfläche (A_{K_N}) eine Härte aufweist, die einem Wälzlagerstahl aufweisend eine Härte von 55 HRC entspricht.
5. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Rollkörper (10) zumindest im Bereich einer Rollkörperlauffläche (A_{L_R}) eine Härte aufweist die einem Wälzlagerstahl aufweisend eine Härte von 55 HRC entspricht.
6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine auf dem Trägerkörper (6) angeordnete Nocken (4) über eine kraftschlüssige oder eine kraft- und formschlüssige Verbindung mit dem Trägerkörper (6) verbunden ist.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (6) im Bereich der Aufnahme für einen Nocken (4) zumindest bereichsweise in seinem Durchmesser aufgeweitet ist, derart, dass in Umfangsrichtung des Trägerkörpers (6) umlaufende Wülste oder Stege mit einem Durchmesser grösser dem Durchmesser der korrespondierenden Nockenaufnahme gebildet sind, und wobei durch ein seitliches Aufschieben des Nockens (4) auf den Trägerkörper (6) im Bereich der vorgesehenen Aufnahme eine kraftschlüssige oder kraft- und formschlüssige Verbindung zwischen Nocken und Trägerkörper (6) in Rotationsrichtung der Nockenwelle gesehen erreicht wird.

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