DE102009037269A1

DE102009037269A1 - Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen

Info

Publication number: DE102009037269A1
Application number: DE102009037269A
Authority: DE
Inventors: Thomas Arnold; Heiko Neukirchner; Andreas Werler; Jörg Wutzler
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2011-03-10
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: WO2011018073A3; EP2464833B1; DE102009037269B4; US8596238B2; WO2011018073A2; JP5649237B2; JP2013501872A; US20120125273A1; EP2464833A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen, die einstellbar mit unterschiedlichen Ventilöffnungshüben betreibbar sind. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Venmtiltrieb zur Betätigung von Gaswechselventilen von Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, der sich durch einen vereinfachten Aufbau bei gleichzeitiger Reduzierung der auftretenden Reibungskräfte auszeichnet. Der erfindungsgemäße Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen besteht aus einer von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Nockenwelle, die aus mehreren einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen gebildet wird. Die Verbindung der einzelnen separat gegeneinander verschiebbaren Nockenhülsen miteinander erfolgt über eine axial verlaufende Verzahnung, wobei die Verzahnungen der jeweils benachbarten Nockenhülsen ineinander eingreifend ausgebildet sind. Auf jeder Nockenhülse sind mehrere unterschiedliche Nockenprofile mit gleichem Grundkreisabschnitt angeordnet, die durch Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen mit den Gaswechselventilen in Eingriff gebracht werden können. Im Inneren der Nockenhülsen ist eine sich mit den Nockenhülsen mitdrehende Schaltwelle angeordnet, die jeweils über einen Schaltpin mit der jeweiligen Nockehülse in Wirkverbindung stehen. Am inneren Umfang jeder Nockenhülse ist eine umlaufende Schaltkontur angeordnet, in der der Mitnehmer ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
Es ist bekannt, Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine variabel mit unterschiedlichen Öffnungs- und Schließzeitpunkten sowie mit unterschiedlichen Ventilöffnungshüben zu betreiben. Eine derartige Ventilsteuerung ist aus der DE 42 30 877 A1 vorbekannt. Dabei ist auf einer Nockenwelle drehfest, aber axial verschiebbar ein Nockenträger mit zwei unterschiedlichen Nockenkonturen angeordnet. Entsprechend der Axialstellung des Nockenträgers steht eine Nockenkontur über ein Zwischenglied (Übertragungshebel) mit dem Hubventil in Wirkverbindung. Die Axialverschiebung des Nockenträgers zur Änderung der Ventilparameter erfolgt während der Grundkreisphase entgegen der Wirkung einer Rückstellfeder mittels eines Druckringes.
Nachteilig ist dabei der hohe Bauraumbedarf, der zur Verstellung des Nockenträgers benötigt wird. Diese Lösungen sind deshalb nur einsetzbar bei verhältnismäßig großen Zylinderabständen, um die entsprechenden Bauteile unterbringen zu können. Ein weiterer Nachteil sind die beim Stellvorgang auftretenden hohen Massenkräfte, die zum Verschieben der Nockenträger oder der Verstellorgane benötigt werden. Die Umschaltung auf eine entsprechende Nockenkontur kann nur zylinderselektiv erfolgen. Eine ventilselektive Umschaltung ist nicht möglich.
Die DE 100 54 623 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Umschalten eines Nockenträgers auf einer Nockenwelle zur Betätigung von Gaswechselventilen, bei der der Nockenträger axial verschiebbar auf der Nockenwelle geführt ist. Entsprechend der Position des Nockenträgers steht das Gaswechselventil mit unterschiedlichen Nockenkonturen in Wirkverbindung. Die Verstellung des Nockenträgers erfolgt über ein Stellelement im Zusammenwirken mit einer Kulissenbahn. Das Stellelement ist dabei ein radial nach außen verschiebbarer Pin, der mit zumindest zwei in einem um ca. 180° um den Nockenträger herum angeordneten Führungsteil ausgebildeten Kulissenbahnen im ausgefahrenen Zustand zusammenwirkt.
Ein Nachteil dieser Lösung besteht neben dem zusätzlichen Bauraum für das Führungsteil darin, dass zum Umschalten auf eine andere Nockenkontur der Pin aus der Nockenwelle ausgefahren und in eine axial verschiebbare Schaltkulisse eingespurt werden muss. Nach dem Schaltvorgang muss der Pin wieder eingefahren werden. Diese Konstruktion ist sehr teile- und fertigungsaufwendig und es besteht die Gefahr von Schäden an der Nockenwelle durch Fehlschaltungen des Pins. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass durch die notwendige Stellzeit des Pins die Motordrehzahl begrenzt wird. Außerdem ist die Verstellung abhängig von dem jeweils vorhandenen Öldruck.
Weiterhin ist aus der DE 195 20 117 C2 ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine vorbekannt, bei dem auf der Nockenwelle drehfest ein axial verschiebbarer Nockenträger mit mindestens zwei unterschiedlichen Nockenbahnen angeordnet ist. Die Verstellung des Nockenträgers erfolgt über ein Verstellorgan, das im Inneren der Nockenwelle geführt ist. Durch eine stirnseitig an der Nockenwelle angeordnete doppelt wirkende hydraulische oder pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit wird das wellenartig ausgebildete Verstellorgan im Inneren der Nockenwelle gegen den Druck einer Feder verschoben. Das Verstellorgan ist mit einem Mitnahmestück verbunden, das ein axial in der Nockenwelle angeordnetes Langloch durchdringt und in eine Bohrung des Nockenträgers mündet.
Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass durch die axiale Verschiebung des Verstellorgans nur mehrere auf der Nockenwelle angeordnete Nockenträger gleichzeitig verschoben werden können. Eine unterschiedliche Schaltung von einzelnen Nockenträgern auf einer Nockenwelle ist nicht möglich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei einer Schaltposition, bei der ein äußerer Nocken im Eingriff mit den Gaswechselventilen steht, das Federelement ständig gespannt ist. Dadurch treten hohe seitliche Reibkräfte zwischen dem Mitnehmerstück und der auf dem Verstellorgan angeordneten Führungsbahn auf. Ein erhöhter Verschleiß und damit verbundene eventuelle Fehlschaltungen sind die Folge. Nachteilig ist weiterhin, dass die wirkenden Federkräfte genau eingestellt werden müssen, um Fehlschaltungen, insbesondere bei Rückschaltung auf das mittlere Nockenprofil bei drei unterschiedlichen Nockenprofilen, zu vermeiden.
Durch die DE 10 2009 017 242 der Anmelderin wurde bereits ein Ventiltrieb zur Betätigung von Gaswechselventilen von Brennkraftmaschinen vorgeschlagen. Bei dem Ventiltrieb erfolgt die Verschiebung des Nockenträgers zur Ventilumschaltung auf dem Nockenwellenrohr durch eine im Inneren des Nockenwellenrohrs angeordnete verdrehbare Schaltwelle. Die Schaltwelle ist mit einer Schaltkontur versehen, die eine axiale Steigung aufweist. In der Schaltkontur wird eine Schaltkugel geführt, die in einer Bohrung einer die Schaltwelle umgebenden axial verschiebbaren Schalthülse gelagert ist. Die Schalthülse steht über einen Mitnehmer mit dem Nockenträger in Wirkverbindung. Durch Verdrehen der Schaltwelle wird über die Schaltkugel die Schalthülse und über den Mitnehmer der Nockenträger axial verschoben.
Durch die Anordnung einer Schalthülse zwischen der Schaltwelle und dem Nockenwellenrohr treten zusätzlich zu überwindende Reibungskräfte auf. Außerdem ist die Lösung durch die Anordnung der Schalthülse sehr teileaufwändig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb zur Betätigung von Gaswechselventilen von Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, der sich durch einen vereinfachten Aufbau bei gleichzeitiger Reduzierung der auftretenden Reibungskräfte auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen besteht aus einer von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Nockenwelle, die aus mehreren einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen gebildet wird. Die Verbindung der einzelnen separat gegeneinander verschiebbaren Nockenhülsen miteinander erfolgt über eine axial verlaufende Verzahnung, wobei die Verzahnungen der jeweils benachbarten Nockenhülsen ineinander eingreifend ausgebildet sind. Auf jeder Nockenhülse sind mehrere unterschiedliche Nockenprofile mit gleichem Grundkreisabschnitt angeordnet, die durch Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen mit den Gaswechselventilen in Eingriff gebracht werden können. Im Inneren der Nockenhülsen ist eine sich mit den Nockenhülsen mitdrehende Schaltwelle angeordnet, die jeweils über einen Schaltpin mit der jeweiligen Nockenhülse in Wirkverbindung stehen. Am inneren Umfang jeder Nockenhülse ist eine umlaufende Schaltkontur angeordnet, in der der Mitnehmer gleitend gelagert ist. Die Schaltwelle ist mit einem Aktuator verbunden, mit dem während eines Schaltvorganges zum Verschieben der Nockenhülsen eine Relativverdrehung der Schaltwelle gegenüber den Nockenhülsen ausgelöst wird.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in einem einfachen Aufbau der Betätigungsvorrichtung zur sicheren Ventilumschaltung zwischen unterschiedlichen Nockenprofilen der Nockenwelle bei der gleichzeitig die zwischen den einzelnen Bauteilen auftretende Reibung reduziert wurde.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
Anhand einer Zeichnung, die eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Lösung zeigt, wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
In der Zeichnung ist ein Teilbereich eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine dargestellt. Der Ventiltrieb zur Betätigung von nicht dargestellten Gaswechselventilen besteht aus einer von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Nockenwelle, die aus mehreren einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen 7 gebildet wird. Jedem Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine ist eine axial verschiebbare Nockenhülse 7 zugeordnet, mit dem, entsprechend dem Ausführungsbeispiel, jeweils zwei Gaswechselventile eines Zylinders durch die beiden auf der Nockenhülse 7 angeordneten Nockenprofile 9 betätigt werden können. Die Nockenhülse 7 weist bei einem gleichen Grundkreisabschnitt 10 mehrere unterschiedlich ausgebildete Nockenprofile 9a, 9b und 9c auf, die zur Ventilhubumschaltung wahlweise durch Verschieben der Nockenhülse 7 jeweils direkt oder über nicht dargestellte Zwischenglieder mit einem jeweiligen Gaswechselventil in Kontakt gebracht werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist jede Nockenhülse 7 zwei Nockenprofile 9, mit jeweils einem kleinen Nockenprofil 9a, einem mittleren Nockenprofil 9b und einem großen Nockenprofil 9c zur Betätigung der beiden Gaswechselventile, auf. Es ist durchaus denkbar, dass die Nockenprofile 9 jeder Nockenhülse 7 aus nur zwei oder mehr als drei unterschiedlich großen Nockenprofilen gebildet werden. Zur Erzielung einer Phasenverschiebung zwischen den unterschiedlichen Nockenprofilen 9a, 9b und 9c können die Kurven der Nockenprofile 9a, 9b und 9c zueinander versetzt angeordnet sein.
Die einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen 7 sind miteinander durch eine axial verlaufende Verzahnung 8 verbunden. Dabei sind die Nockenhülsen 7 derart ausgebildet, dass die Verzahnung 8 der jeweils benachbarten Nockenhülsen 7 ineinander eingreifend ausgebildet sind. Dadurch wird erreicht, dass die einzelnen Nockenhülsen 7 gegeneinander axial verschiebbar und drehfest miteinander verbunden sind. Innerhalb der Nockenhülsen 7 ist eine Schaltwelle 1 angeordnet, die sich, außer während des Schaltprozesses, synchron mit den Nockenhülsen 7 mitdreht. Jede Nockenhülse 7 steht über einen Schaltpin 3 mit der Schaltwelle 1 in Wirkverbindung. Der Schaltpin 3 ist fest mit der Schaltwelle 1 verbunden und in einer am Innenumfang der Nockenhülsen 7 angeordneten umlaufenden Schaltkontur 2 gleitend gelagert. Die am Innenumfang der Nockenhülsen 7 angeordnete umlaufende Schaltkontur 2 weist mehrere unterschiedliche axiale Steigungen auf. Bei einer nacheinander durchzuführenden axialen Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen 7 sind die einzelnen axialen Steigungen der für jede Nockenhülse 7 angeordneten Schaltkontur 2 am Innenumfang der Nockenhülsen 7 zueinander versetzt angeordnet. Bei einer gleichzeitigen axialen Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen 7 liegen die einzelnen axialen Steigungen der für jede Nockenhülse 7 angeordneten Schaltkontur 2 am Innenumfang der Nockenhülsen 7 in gleicher axialer Ebene.
Die Schaltwelle 1 steht mit einem mit einem Aktuator 6 zur Erzeugung einer Relativverdrehung der Schaltwelle 1 gegenüber den Nockenhülsen 7 in Wirkverbindung. Der Aktuator 6 kann direkt oder wie in der Zeichnung dargestellt über ein Kurvengetriebe mit der Schaltwelle 1 verbunden sein. Das Kurvengetriebe besteht aus einer auf dem Umfang der Schaltwelle 1 angeordnete Schaltkontur 13 in der gleitend eine Schaltkugel 4 gelagert ist, die wiederum in einer am Innenumfang eines Verschiebestücks 5 angeordneten halbkugelförmigen Aufnahme gelagert ist. Das Verschiebestück 5 ist drehfest aber axial verschiebbar mit einer Nockenhülse 7 verbunden. Die Verbindung zwischen Nockenhülse 7 und Verschiebestück 5 erfolgt dabei über eine ineinandergreifende Axialverzahnung. Das Verschiebestück 5 ist mit einem Gehäuse der Brennkraftmaschine fest verbundenen Aktuator 6 in Wirkverbindung bringbar. Entsprechend der Ansteuerung des Aktuators 6 greift dabei ein an dem Aktuator 6 angeordneter Pin 11 in die am Umfang des Verschiebestücks 5 angeordnete Kontur 12 ein. Das Verschiebestück 5 ist entsprechend dem in der Zeichnung dargestelltem Doppelpfeil in beide Richtungen axial gegenüber einer Nockenhülse 7 verschiebbar.
Die Funktion des variablen Ventiltriebs zur Realisierung einer Umschaltung zwischen den unterschiedlichen Nockenprofilen 9a, 9b und 9c ist folgende.
Während des Eingriffes beispielsweise der mittleren Nockenprofile 9b der Nockenhülse 7 mit den Gaswechselventilen drehen sich die Nockenhülsen 7, die Schaltwelle 1 und das Verschiebestück 5 mit synchroner Drehzahl. Der Aktuator 6 steht nicht im Eingriff mit dem Verschiebestück 5. Eine Umschaltung zu einem andern Nockenprofil kann nur durchgeführt werden, wenn sich der Grundkreisabschnitt 10 im Eingriff mit dem Gaswechselventil bzw. dem Zwischenglied befindet. Zur Umschaltung des Eingriffes des Nockenprofils 9b auf das Gaswechselventil zu dem Nockenprofil 9a oder zu dem Nockenprofil 9c wird der Aktuator 6 durch eine entsprechende Ansteuerung aktiviert und mit dem Verschiebestück 5 in Eingriff gebracht. In dem beschrieben Ausführungsbeispiel erfolgt das dadurch, dass ein Pin 11 in Richtung des Verschiebestücks 5 ausgefahren wird und in die am Umfang des Verschiebestücks 5 angeordnete Kontur 12 einrastet. Entsprechend des angesteuerten Pins 11 wird das Verschiebestück 5 durch den in der Kontur 12 gleitenden Pin 11 nach rechts oder nach links, gemäß dem vorzunehmenden Schaltvorgang, gegenüber der Nockenhülse 7 axial verschoben. Über die in der Schaltkontur 13 gleitende Schaltkugel 4 wird die axiale Bewegung des Verschiebestücks 5 in eine Drehung der Schaltwelle 1 übersetzt. Dadurch entsteht eine Relativverdrehung der Schaltwelle 1 gegenüber den Nockenhülsen 7. Durch die Relativverdrehung gleitet der halbkugelförmig ausgebildete Teil des Schaltpins 3 in der Bahn der umlaufenden Schaltkontur 2 der Nockenhülse 7. Entsprechend der realisierten Relativverdrehung und der Ausführung der einzelnen mit jeder Nockenhülse 7 über die Schaltkugeln 3 in Wirkverbindung stehenden Schaltkonturen 2 erfolgt eine axiale Verschiebung der Nockenhülsen 7 gegeneinander und somit eine Umschaltung zwischen den einzelnen Nockenprofilen 9a, 9b und 9c.
Die Verschiebung des Verschiebestücks 5 kann beispielsweise auch durch einen magnetisch auf das Verschiebestück 5 wirkenden Aktuator 6 erfolgen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in einem einfachen und klein bauenden Aufbau des Ventiltriebs, mit dem variabel für den Motor angepasste Ventilhubumschaltungen realisiert werden können.
Bezugszeichenliste

1: Schaltwelle
2: Schaltkontur
3: Schaltpin
4: Schaltkugel
5: Verschiebestück
6: Aktuator
7: Nockenhülse
8: Verzahnung
9: Nockenprofil
9a: kleines Nockenprofil
9b: mittleres Nockenprofil
9c: großes Nockenprofil
10: Grundkreisabschnitt
11: Pin
12: Kontur
13: Schaltkontur

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 4230877 A1 [0002]
DE 10054623 A1 [0004]
DE 19520117 C2 [0006]
DE 102009017242 [0008]

Claims

Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen, bei dem die Gaswechselventile schaltbar mit unterschiedlichen Nockenprofilen einer von einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Nockenwelle in Eingriff bringbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Nockenwelle aus mehreren einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen (7) gebildet wird, – auf jeder Nockenhülse (7) mehrere unterschiedliche Nockenprofile (9a, 9b, 9c) mit gleichem Grundkreisabschnitt (10) angeordnet sind, – im Inneren der Nockenhülsen (7) eine sich mit den Nockenhülsen (7) mitdrehende Schaltwelle (1) angeordnet ist, – im Inneren jeder Nockenhülse (7) eine umlaufende Schaltkontur (2) angeordnet ist, – jede Nockenhülse (7) über einen in der umlaufenden Schaltkontur (2) gleitenden Schaltpin (3) mit der Schaltwelle (1) in Wirkverbindung steht, – die Schaltwelle (1) mit einem mit einem Aktuator (6) zur Erzeugung einer Relativverdrehung der Schaltwelle (1) gegenüber den Nockenhülsen (7) in Wirkverbindung steht.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axial verschiebbaren Nockenhülsen (7) miteinander durch eine axial verlaufende Verzahnung (8) verbunden sind, wobei die Verzahnungen (8) der jeweils benachbarten Nockenhülsen (7) ineinander eingreifend ausgebildet sind.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Schaltkontur (2) mehrere unterschiedliche axiale Steigungen aufweist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer nacheinander durchzuführenden axialen Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen (7) die einzelnen axialen Steigungen der für jede Nockenhülse (7) angeordneten Schaltkontur (2) am Innenumfang der Nockenhülsen (7) zueinander versetzt angeordnet sind.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gleichzeitigen axialen Verschiebung der einzelnen Nockenhülsen (7) die einzelnen axialen Steigungen der für jede Nockenhülse (7) angeordneten Schaltkontur (2) am Innenumfang der Nockenhülsen (7) in gleicher axialer Ebene liegen.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltwelle (1) über ein Kurvengetriebe mit einem gegenüber einer Nockenhülse (7) drehfest aber axial verschiebbar angeordneten Verschiebestück (5) verbunden ist.