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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung beschreibt eine vollvariable Hubventilsteuerung für Brennkraftmaschinen.
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Die hier niedergeschriebene Patentanmeldung nimmt Bezug auf eine vorausgegangene, deutsche Patentanmeldung
DE 10 2011 104 548.5 des Anmelders mit der nationalen Priorität vom 18.06.2011.
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Mit dieser Patentanmeldung sollen besonders vorteilhafte Weiterentwicklungen und Verbesserungen der vorgenannten Hubventilsteuerung aus der
DE 10 2011 104 548.5 aufgezeigt werden.
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Stand der Technik
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In der
1 ist eine Ausgestaltungsform einer vollvariablen Hubventilsteuerung gezeigt, welche aus der vorangegangenen Patentanmeldung
DE 10 2011 104 548.5 des Anmelders hervorgeht.
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Durch die Rotationsbewegung einer Nockenwelle NW um ihre Achse C1 wird hierbei ein Zwischenhebel ZH in eine Schwingbewegung versetzt, wobei die Schwingachse C4 des Zwischenhebels ZH an dessen oberen Ende durch ein Nadellager ZHL gebildet ist.
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Zur Reibungsminderung ist der Zwischenhebel ZH mit einer Nockenrolle NR ergänzt, wobei die Nockenrolle NR drehbeweglich auf einem eingepressten Nockenrollenbolzen NRB wälzgelagert ist. Der Zwischenhebel ZH steht über die Nockenrolle NR mit der Nockenwelle NW in Kontakt, wobei die erforderliche Kontaktkraft durch eine Federkraft F gewährleistet wird, welche Federkraft von einer vorgespannten Rückstellfeder erzeugt wird.
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Der eingangs genannte Stand der Technik schlägt hierzu eine gegabelt ausgeführte Schenkelfeder vor, welche beidseits am verlängert ausgestalteten Nockenrollenbolzen NRB der Nockenrolle NR angreift.
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Weiter ist in der gezeigten Hubventilsteuerung eine verdrehbare Exzenterwelle EW vorgesehen, deren Lagerachse die Achse C2 bildet.
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Die Exzenterwelle EW ist dabei in jeder Zylinderebene der Brennkraftmaschine jeweilig mit einem zylindermantelförmigen Exzenterzapfen EXZ versehen, dessen Mittelachse außermittig, also exzentrisch zur Lagerachse C2 angeordnet liegt.
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Ergänzend ist eine verdrehbare Stützwelle SW mit deren Lagerzentrum C3 vorgesehen.
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Die Stützwelle SW ist in der jeweiligen axialen Ebene eines jeden Zwischenhebels ZH mit einem Bund versehen, an dessen Bundumfang eine Stützkurve SK gefertigt ist.
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Die Stützkurve SK weicht dabei von einer konzentrischen Lage und Farmgebung zum Zentrum C3 ab.
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Der Zwischenhebel ZH ist über das Nadellager ZHL in der Achse C4 gelenkig mit dem eine Ende einer Verstellschwinge VS verbunden, wobei die Verstellschwinge VS mit ihrem anderen Ende schwenkbeweglich auf dem Exzenterzapfen EXZ der Exzenterwelle EW gelagert ist.
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Der Nadellagersitz der Verstellschwinge VS ist dabei mit einem partiellen Durchbruch versehen, wobei der Außenring des Nadellagers ZHL diesen Durchbruch durchdringt und der somit freiliegende Teil des Nadelageraußenrings nunmehr mit der Stützkurve SK der Stützwelle SW in Kontakt steht.
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Die jeweilig resultierende Zentrumslage C4 des Nadellagers ZHL wird also einerseits durch dessen formschlüssige Anbindung über die Verstellschwinge VS an den Exzenterzapfen EXZ der Exzenterwelle EW, sowie andererseits durch den kraftschlüssigen Kontakt des Nadellageraußenrings an die Stützkurve SK definiert.
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Der Zwischenhebel ZH weist an seinem unteren Ende eine Steuerbahn SB auf, wobei die Steuerbahn SB von einer Ventilrastsektion, welche eine Radiuskontur um den Schwenkpunkt C4 des Zwischenhebels ZH beschreibt, über eine Anlauframpe in eine Hubsektion übergeht.
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Diese Steuerbahn SB steht mit der Laufrolle SHR eines Rollenschlepphebels SH in Kontakt, welcher mit der Kugelkalotte an seinem einen Ende auf dem Kugelkopf eines Abstützelements mit hydraulischem Ventilspielausgleich HVA aufliegt.
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Mit seinem gegenüberliegenden Ende steht der Rallenschlepphebel SH weiter mit dem schließfederbeaufschlagten Hubventil HV in Wirkkontakt.
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Zur Variation des Ventilhubs und der Ventilöffnungsdauer wird das Zentrum C4 des Nadellager ZHL und damit das Schwenkzentrum C4 des Zwischenhebels ZH im Kreisbogen KB um ein temporäres Lagezentrum C5 der Laufrolle SHR des Rollenschlepphebels SH verlagert.
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Dieses temporäre Lagezentrum wird hierbei durch das Lagezentrum C5 der Laufrolle SHR während der Schließphase des Hubventils HV definiert.
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Resultierend aus einer Lageänderung der Lagerachse C4 im Kreisbogen KB wird bei der Schwingbewegung der Steuerbahn SB um ihre Schwenkachse C4 der jeweilig wirksame Anteil der Hubsektion bzw. der jeweilig unwirksame Anteil der Ventilrastsektion auf die Laufrolle SHR des Rollenschlepphebels SH variiert.
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Zur Verlagerung der Zwischenhebelschwingachse C4 im Kreisbogen KB werden die Exzenterwelle EW und die Stützwelle SW gemeinsam verdreht, wozu die Exzenterwelle EW mit der Stützwelle SW zweckmäßig über ein Zahnradpaar ZRP in Antriebsverbindung steht.
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Die geometrische Formgestaltung der gezeigten Stützkurve SK an der Stützwelle SW kann dabei wie Folgt hergeleitet werden:
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In Abhängigkeit vorgewählter, geometrischer Parameter (Achsposition C2, Versatz des Exzenterzapfens EXZ zur Lagerachse C2, Radius und Mittelpunkt des Kreisbogens KB, Abstand der Lagerzentren in der Verstellschwinge VS) kann zu jeder Winkelstellung der Exzenterwelle EW die Position der Schwenkachse C4 auf der Kreisbogenbahn KB eindeutig identifiziert werden.
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Somit ist auch in jeder Winkelstellung der Exzenterwelle EW der Abstand der Lagerachse C4 zur fixen Lagerachse C3 der Stützwelle SW bekannt.
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Wird nunmehr der Radius des Nadellagers ZHL vom jeweilig einer Winkelstellung zugeordnetem Abstandmaß C4 zu C3 subtrahiert, so ist auch zu jeder Winkellage der korrespondierenden Stützwelle SW ein eindeutiger Abstand zwischen der Berührlinie des Nadellagers und dem Zentrum C3 der Stützwelle SW definiert.
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Somit kann die geometrische Formgebung der Stützkurve generiert werden, welche Form nunmehr als Stützkurve SK an der Stützwelle SW gefertigt ist.
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Um die Exzenterwelle EW mit der gekoppelten Stützwelle SW gemeinsam zu verdrehen, wirkt zweckmäßig ein Verstellmotor VM auf die Exzenterwelle EW ein.
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Gemäß dem allgemeinen Stand der Technik kann der Verstellmotor VM hierzu beispielsweise über ein zwischengeschaltetes Schneckengetriebe mit der Exzenterwelle EW in Antriebsverbindung stehen.
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Nachteile des vorgenannten Standes der Technik (DE 10 2011 104 548.5)
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Wie bereits eingangs erwähnt, wird die Nockenrolle NR des Zwischenhebels ZH über eine gegabelte Schenkelfeder in stetigem Kontakt mit der Nockenwelle NW gehalten.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2011 104 548.5 schlägt hierzu vor, die Windungen der beschriebenen Schenkelfeder oberhalb der Nockenwelle NW oder alternativ oberhalb der Exzenterwelle EW anzuordnen, wobei die beiden wirksamen Schenkelenden der Schenkelfeder von Oben am Nockenrollenbolzen NRB angreifen.
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Nachteilig wird zur Platzierung der Schenkelfedern in der vorgeschlagenen Art zusätzlicher Bauraum unterhalb des Ventildeckels benötigt, sodass dieser zusätzliche Bauraum eine entsprechend vergrößerte Ausgestaltung des Ventildeckels notwendig macht.
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Insbesondere unter dem Aspekt von passivem Fußgänger- bzw. Unfallschutz ist jedoch eine möglichst geringe Bauhöhe des Zylinderkopfes anzustreben, sodass genügend Freiraum unterhalb der Motorhaube zu deren widerstandslosen Deformation im Falle eines Unfalls verbleit.
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Weiter wird in der
DE 10 2011 104 548.5 zur Lagerung der Nockenwelle NW und der Exzenterwelle EW jeweilig eine geteilte Lagerbohrung vorgeschlagen, wobei deren Trennfugen Vertikal verlaufen. Die ergänzende Lagerung der Stützwelle SW wird dabei in geschlossenen Lagerbohrungen als Steckmontageanordnung vorgeschlagen.
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In Längsrichtung der Brennkraftmaschine betrachtet, muss die axiale Lagerstuhlanordnung der innenliegenden Lagerstühle dabei bauartbedingt jeweilig in einer senkrechten Ebene zwischen den Zylinderbohrungen, bzw. die axiale Anordnung der außenliegenden Lagerstühle neben den äußeren Zylinderbohrungen vorgesehen werden.
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Von Nachteil ist hierbei, dass in diesen Ebenen naturgemäß die Zylinderkopfschrauben angeordnet liegen, sodass deren Positionen gemäß einer Lagerstuhlausgestaltung nach der
DE 10 2011 104 548.5 verlagert werden müssten.
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Eine veränderte Anordnung der Zylinderkopfschrauben kann jedoch aufgrund einer unsymmetrischen Spannungsverteilung ggf. zu ungewolltem Verzug der Zylinderbohrungen und/oder zu Undichtigkeiten der Zylinderkopfdichtung führen.
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Ferner müssten die Zylinderkopfschraubenpfeifen im Zylinderkurbelgehäuse in anderer Position angeordnet werden.
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Eine problemlose Weiterverwendung bisherig genutzter Zylinderkurbelgehäuse wäre von daher ohne weiteres nicht möglich.
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Die
DE 10 2011 104 548.5 schlägt weiter vor, für jedes betreffende Hubventil eine eigene Verstellschwinge, einen eigenen Zwischenhebel, sowie eine eigene Rückstellfeder vorzusehen.
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Dies ist nachteilig mit einer relativ hohen Bauteilanzahl behaftet, wobei sich auch der Montageaufwand kostentreibend erhöht.
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Ferner wird vorgeschlagen, sowohl die Stützwelle SW, als auch die Exzenterwelle EW einteilig herzustellen, wobei nach dem Schmieden eine spanabhebenden Bearbeitung, eine Wärmebehandlung, sowie ein anschließender Schleifprozess notwendig werden.
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Der vorgeschlagene Herstellprozess der Stützwelle, sowie der Exzenterwelle ist dabei aufwendig und teuer.
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Aufgaben/Lösung
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Als erste Aufgabe soll eine neuartige Anordnung und Ausgestaltung der Rückstellfeder für den Zwischenhebel geschaffen werden, durch welche Anordnung und Ausgestaltung Bauraum unterhalb des Ventildeckels eingespart werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Ausgestaltung und Anordnung einer Rückstellfeder nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Als zweite Aufgabe soll eine Lagerstuhlausgestaltung der Hubventilsteuerung geschaffen werden, welche die problemlose Beibehaltung der Zylinderkopfschraubenpositionen in allgemein üblicher Position ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Lagerstuhlausgestaltung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.
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Als dritte Aufgabe soll die Bauteilanzahl der Hubventilsteuerung reduziert werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Zwischenhebelausgestaltung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst.
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Als vierte Aufgabe soll die Reibung sowie der Verschleiß des Verstellsystems reduziert werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Lagerausgestaltung bzw. Lageranordnung des Zwischenhebels nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst.
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Als fünfte Aufgabe sollen die Herstellkosten für die Stützwelle SW reduziert werden, bzw. deren Fertigung vereinfacht werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Herstellverfahren der Stützwelle nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
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Als sechste Aufgabe sollen die Herstellkosten für die Exzenterwelle EW reduziert werden, bzw. deren Fertigung vereinfacht werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Herstellverfahren der Exzenterwelle nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
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Beschreibung der Lösungen
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Zur Lösung der ersten Aufgabe wird vorgeschlagen, die Rückstellfeder als Schenkelfeder auszugestalten, wobei deren Windungen erfinderisch im Wesentlichen unterhalb der Nockenwelle angeordnet liegen.
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Die vorgeschlagene Montagelage der Schenkelfeder SF wird aus der Frontalansicht 2 und der ergänzenden Seitenansicht 3 ersichtlich.
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Die 3 zeigt dabei den Betätigungsmechanismus zweier benachbarter Hubventile eines einzelnen Zylinders, wobei in der 3 zur besseren Übersicht die Nockenwelle sowie die beiden Rollenschlepphebel nicht dargestellt sind.
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Zweckmäßig ist für jeden einzelnem Zwischenhebel ZH eine gabelförmig ausgestaltete Schenkelfeder SF vorgesehen, deren wirksame Schenkelenden nunmehr nicht mehr von Oben, sondern beidseits von Unten am verlängert ausgeführten Nockenrollenbolzen NRB des Zwischenhebels ZH angreifen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt der Kontakt der beiden Federschenkelenden zum Nockenrollenbolzen NRB in direkter Form.
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Alternativ können zusätzlich zwischengeschaltete, gleitgelagerte Lagerröllchen vorgesehen werden, welche beidseits drehbeweglich auf dem Nockenrollenbolzen NRB angeordnet sind und dabei reibungs- und verschleißmindernd im Kontaktbereich mit den Federschenkelenden wirken können.
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Die Befestigung zweier benachbarter Schenkelfedern SF erfolgt auf einfache Weise mittels eines einteilig gefertigten Klemmstücks KS.
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Das Klemmstück KS wird dabei zweckmäßig aus einem gestanzten Rohling hergestellt und ist als tiefgezogenes Blechteil ausgeführt.
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Die Befestigung des Klemmstücks KS erfolgt mittels zweier Befestigungsschrauben BS, wobei durch die Formgebung des Klemmstücks KS zugleich eine zuverlässige Verdrehsicherung für die Schenkelfedern SF realisiert ist.
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Die Bügel zwischen den Federwindungen liegen dabei auf einer plangefrästen Fläche des Zylinderkopfs ZK auf, wobei die Befestigungsschrauben BS in zugeordnete Innengewinde an der Zylinderkopfstruktur eingeschraubt werden.
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Durch die erfinderische Federanordnung ist auf einfache Weise eine besonders kompakte Ausgestaltung der Hubventilsteuerung realisiert.
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Zur Lösung der zweiten Aufgabe wird vorgeschlagen, zur Lagerung der Nockenwelle, der Stützwelle und der Exzenterwelle zweigeteilte Lagerstühle anzuwenden, welche mit Mitteln zur späteren Orientierung und Befestigung an der Zylinderkopfstruktur versehen sind.
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Mehrere, nebeneinander angeordnete Lagerstühle können somit nach vorherig erfolgter Montage diverser Bauteile (Nockenwelle, Stützwelle, Exzenterwelle mit Verstellschwingen) als vormontierte Baugruppe auf den Zylinderkopf aufgesetzt und an diesem befestigt werden.
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Eine erste, zweckmäßige Ausgestaltung der Lagerstühle soll mit Hilfe der 4 und 5 verdeutlicht werden.
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In der 4 ist ein erfinderischer Lagerstuhl LS im Vollschnitt in einer senkrechten Ebene zwischen zwei Zylindern einer nicht näher dargestellten, mehrzylindrigen Brennkraftmaschine gezeigt.
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Der Lagerstuhl LS ist dabei mittels unterer Passhülsen PH auf dem Zylinderkopf ZK lageorientiert und mittels Befestigungsschrauben BS an diesem befestigt.
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In der senkrechtender Montageebene des Lagerstuhls LS liegen weiter die beiden Zylinderkopfschrauben ZKS in allgemein üblicher Weise angeordnet.
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In der 5 ist die Hubventilsteuerung im montierten Zustand mit allen wesentlichen Bauteilen gezeigt, wobei der untenliegende Zylinderkopf ZK als Schnitt in der axialen Ebene eines Hubventils dargestellt ist.
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Jeder Lagerstuhl LS der einlassseitig eingesetzten, variablen Hubventilsteuerung ist dabei zweiteilig ausgestaltet, wobei sich jeder Lagerstuhl LS in eine untere Lagerbrücke ULB und eine obere Lagerbrücke OLB aufteilt.
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Die Trennfuge TF der beiden Lagerstuhlteile ULB und OLB liegt dabei in einer Ebene, welche die Lagerachse C1 der Nockenwelle sowie die Lagerachse C2 der Exzenterwelle schneidet.
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Die beiden gefügten Lagerstuhlteile ULB und OLB wurden zunächst über die oberen Passhülsen PH zueinander lageorientiert danach mittels einer einzelnen, über Kopf angeordneten und versenkten Verbindungschraube VBS miteinanderverschraubt.
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Die untere Lagerbrücke ULB ist weiter an ihrer Unterseite mit einer planbearbeiteten Anschraubfläche versehen, welche bevorzugt parallel zur oberen Trennfuge TF verläuft.
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Alternativ kann die planbearbeitete Anschraubfläche jedoch auch leicht geneigt zur Trennfuge TF verlaufen, um beispielsweise eine steilere Einlasskanalanordnung zu ermöglichen.
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Der Zylinderkopf ZK ist zur Aufnahme der unteren Lagerbrücke ULB an seiner Oberseite mit einer komplementären Planfläche versehen, welche sich bevorzugt über die gesamte Länge und Breite des Zylinderkopfs ZK erstreckt.
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Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Planfläche des Zylinderkopfs ZK in einer gemeinsamen Ebene mit der Lagerachse C6 der Auslassnockenwelle angeordnet liegt.
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Die axial zueinander beabstandeten Lagerbohrungen der Auslassnockenwelle ANW liegen im Ausführungsbeispiel in den senkrechten Ebenen der Zylinderbohrungsmitten angeordnet. Alternativ können deren axiale Anordnungen jedoch auch in gemeinsamen Ebenen mit den Lagerstühlen LS erfolgen.
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Ein zweckmäßiger Montageprozess des Zylinderkopfes bzw. dessen Lagerstühle soll anhand einer beispielhaften, vierzylindrigen Brennkraftmaschine mit Hilfe der 4 und 5 kurz erläutert werden:
Zunächst wird der Zylinderkopf ZK sowohl einlassseitig (links) als auch auslassseitig (rechts) mit je acht Hubventilen, deren Schließfedern, den HVA-Elementen sowie den Rollenschlepphebeln bestückt.
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Je Zylinder sind dabei zwei Einlass- und zwei Auslassventile vorgesehen.
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Nach dem Auflegen einer Zylinderkopfdichtung wird der Zylinderkopf ZK im zweiten Montageschritt mittels zehn Zylinderkopfschrauben ZKS auf das nicht dargestellte Zylinderkurbelgehäuse montiert.
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Im dritten Montageschritt erfolgt die Montage der Auslassnockenwelle ANW, wobei deren halbschalenförmige Lagerdeckel mittels Schrauben am Zylinderkopf befestigt werden.
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Nunmehr erfolgt die Teilmontage der einlassseitigen, vollvariablen Hubventilsteuerung.
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Zunächst werden entsprechend acht Verstellschwingen VS mit gelenkig verbundenen Zwischenhebeln ZH auf vier vorgesehene Exzenterzapfen EXZ der Exzenterwelle EW aufgefädelt.
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An der vierzylindrigen Brennkraftmaschine sind an der Nockenwelle NW, der Stützwelle SW und der Exzenterwelle beispielhaft je fünf axial zueinander beabstandete Lagerzapfen vorgesehen, sodass nunmehr auch fünf Lagerstühle benötigt werden.
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Entsprechend werden fünf obere Lagerbrücken OLB zweckmäßig über Kopf in einer Montagevorrichtung platziert, wobei zunächst die beiden abgestuft ausgeführten Befestigungsbohrungen mit den oberen Passhülsen PH bestückt werden.
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Anschließend werden die Nockenwelle sowie die Exzenterwelle in die jeweiligen Lagerschalen der fünf oberen Lagerbrücken OLB eingelegt, worauf die Montage der fünf unteren Lagerbrücken ULB mittels der fünf Verbindungsschrauben VBS erfolgt.
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Im nächsten Schritt wird die Montagevorrichtung um 180 Grad gedreht und die Stützwelle wird mittels Steckmontage seitlich in die noch verbleibende, geschlossen ausgeführte Lagerbohrung mit dem Zentrum C3 eingeschoben.
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Der definierte Verzahnungseingriff der Stützwelle zur Exzenterwelle ist dabei zweckmäßig durch eine Markierung vorgegeben.
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Anschließend kann die nunmehr teilmontierte Baugruppe als Modul auf den Zylinderkopf ZK platziert werden, wozu dieser zuvor mit den unteren Passhülsen PH zur Orientierung der Lagerstühle LS versehen worden ist.
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Nach dem Aufsetzen können die fünf Lagerstühle LS nun mittels zehn Befestigungsschrauben BS mit dem Zylinderkopf ZK verschraubt werden.
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Im nächsten Schritt erfolgt dann das Einfädeln und Festschrauben der acht Schenkelfedern SF. Somit sind die wesentlichen Bauteile der vollvariablen Hubventilsteuerung bereits montiert.
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Durch die beschriebene Ausgestaltung der Lagerstühle LS ist eine rasche und zuverlässige Montage gewährleistet, wobei die Zylinderkopfschrauben ZKS in allgemein üblicher Anordnung verbleiben können.
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Wie aus der 4 ergänzend ersichtlich ist, können alle drei Lagerbohrungen eines Lagerstuhls LS über Kanäle von der Ölpumpe der Brennkraftmaschine mit Drucköl versorgt werden.
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Somit kann auch die Lagerreibung der Stützwelle SW und der Exzenterwelle EW während ihrer gemeinsamen Verstell-Drehbewegung reduziert werden.
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Ebenso kann für jede der drei Wellen (NW, SW, EW) eine Wälzlagerung angedacht sein, wobei in diese Überlegungen natürlich auch der Einsatz geteilter Wälzlager mit eingeschlossen ist.
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In der 6 und 6a ist eine alternative Lagerstuhlausgestaltung gezeigt, in der mehrere untere Lagerbrücken ULB durch einen einteiligen Lagerrahmen LR ersetzt werden.
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Hierdurch kann die Bauteilzahl weiter reduziert, und die Montage weiter vereinfacht werden.
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Zweckmäßig ist jede obere Lagerbrücke OLB (wie bereits in 4 gezeigt) mit einer nicht dargestellten Verbindungsschraube VBS mit dem Lagerahmen LR gefügt.
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Der Lagerrahmen LR ist, ebenso wie die einzelnen oberen Lagerbrücken OLB, bevorzugt aus einer Leichtmetalllegierung gegossen und anschließend spanend bearbeitet worden.
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Zwischen den einzelnen Lagerebenen ist der Lagerrahmen LR dabei mit aneinanderreihenden Rippen versehen, welche sich dabei über die Länge des Zylinderkopfs hinweg erstrecken.
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Bevorzugt liegen die linkseitigen Rippen neben bzw. unterhalb der Nockenwelle angeordnet, die rechtsseitigen Rippen können zumindest annähernd in einer Flucht mit den Mittelachsen der Zündkerzenschächte angeordnet werden, wobei ein Teilstück der Zündkerzenschächte zweckmäßig in den Lagerrahmen LR integriert ist.
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Um eine gute Abdichtung der Zündkerzenschächte zur oberen Planfläche des Zylinderkopfs ZK zu gewährleisten, kann im Nahbereich der Dichtflächen zumindest je eine zusätzliche Befestigungsschraube vorgesehen werden.
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In der 6 ist das vormontierte Modul der Hubventilsteuerung als einzelne Baugruppe dargestellt, um insbesondere auch die nunmehr andersartig gestaltete Schenkelfederbefestigungen zu verdeutlichen.
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Mit Vorteil können die Schenkelfedern SF jetzt an den linken Rippen des Lagerrahmens LR befestigt werden, sodass bereits am vorgefertigten Modul die Schenkelfedern SF in einem vorgespannten Zustand montiert sind.
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Die Befestigungsschrauben sowie die Klemmstücke der Schenkelfedern werden hierzu einfach über Kopf angeordnet.
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Wie aus der 6a naheliegend erkennbar wird, können in einer erweiterten Ausgestaltung auch die oberen Lagerdeckel der Auslassnockenwelle mit in den Lagerrahmen LR integriert werden.
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Zur Lösung der dritten gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, den Zwischenhebel als Gabelzwischenhebel auszugestalten.
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Eine erste mögliche Ausgestaltungsform eines solchen Gabelzwischenhebels GZH ist in der 7 und 7a dargestellt.
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Die 7 und 7a zeigen dabei den Betätigungsmechanismus zweier benachbarter Hubventile HV eines einzelnen Zylinders in der Seitenansicht, wobei die Nockenwelle zur besseren Übersicht nicht dargestellt ist.
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Im Grunde sind die beiden Zwischenhebel ZH aus der 3 nunmehr durch den einzelnen Gabelzwischenhebel GZH ersetzt.
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In der 7 ist der Gabelzwischenhebel GZH dabei mit seiner zugeordneten Rückstellfeder SF gezeigt, welche wiederum als Schenkelfeder SF ausgeführt ist und den Gabelzwischenhebel GZH dabei über seine gesamte Breite umgreift.
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Bevorzugt greifen die beiden wirksamen Schenkelenden dabei erneut beidseits am Nockenrollenbolzen NRB an.
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In der 7a sind die beiden Rollenschlepphebel SH der benachbarten Hubventile HV gezeigt, wobei der Gabelzwischenhebel GZH an seiner Unterseite mit zwei Steuerbahnen SB versehen ist, welche axial im Abstand der beiden Hubventile HV zueinander angeordnet liegen.
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Jede Steuerbahn SB geht dabei von einer jeweiligen Ventilrastsektion, welche eine Radiuskontur um den Schwenkpunkt C4 des Gabelzwischenhebels GZH beschreibt, über eine Anlauframpe in eine Hubsektion über.
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Die beiden Steuerbahnen SB stehen dabei mit der jeweiligen Laufrolle SHR eines jeweilig zugeordneten Rollenschlepphebels SH in Kontakt.
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Weiter liegt die einzelne Nockenrolle NR des Gabelzwischenhebels GZH symmetrisch zur Mittelachse des Zylinders angeordnet, wobei die Nockenrolle breit ausgeführt werden kann, sodass der Nocken bzw. der gegenüberliegende Grundkreisabschnitt den Gabelzwischenhebel GZH in seiner parallelen Führung zur Exzenterwelle EW unterstützen kann.
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Wie aus den Figuren weiter ersichtlich wird, ist die einzig vorgesehene Verstellschwinge VS ebenfalls symmetrisch zur Mittelachse des Zylinders angeordnet.
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Die Verstellschwinge VS ist dabei mit ihrem hinteren Ende auf dem zugeordneten Exzenterzapfen EXZ der Exzenterwelle EW gelagert.
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Ein Schnitt der Gabelzwischenhebel-Lagerung ist in der 7a dargestellt.
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Der Gabelzwischenhebel GZH ist dabei in seiner Schwenkachse C4 aber das Zwischenhebellager ZHL mit dem vorderen Ende der Verstellschwinge VS gelenkig verbunden.
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Das entsprechende Zwischenhebellager ZHL ist dabei als einteiliges Nadellager in ausgeprägter Überbreite ausgeführt.
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Hierbei können jedoch, abweichend von der gezeigten Darstellung, auch mehrere Wälzkörperreihen (Nadelreihen) aus Gründen der Wälzkörperherstellung nebeneinander vorgesehen werden.
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Das überbreite Nadellager ZHL weist dabei eine wesentlich größere Breite als der zugeordnete Lagersitz in der Verstellschwinge VS auf, wobei das Nadellager ZHL nun soweit durch den Lagersitz der Verstellschwinge VS hindurchgepresst wird, bis dieses symmetrisch zur Verstellschwinge VS bzw. zur Zylindermittelachse angeordnet liegt.
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Resultierend ragt das Nadellager nun zu beiden Stirnseiten aus der Verstellschwinge VS heraus.
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Die Stützwelle SW ist je Zylinder mit zwei zueinander beabstandeten Bundbereichen versehen, an dessen Umfangsflächen die jeweilige Stützkurve SK ausgebildet ist.
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Das Nadellager ZHL stützt sich dabei zu beiden Seiten mit dem jeweilig überstehenden Außenringbereich an der jewqeilig zugeordneten Stützkurve SK der Stützwelle SW ab.
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Das Nadellager ZHL nimmt dabei den Lagerbolzen LB des Gabelzwischenhebel GZH auf, wobei der Lagerbolzen LB drehbeweglich um die Achse C4 im Nadellager ZHL angeordnet liegt.
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Die beiden Lagerbolzenenden sind hierbei drehfest mit dem Gabelzwischenhebel GZH gefügt, zweckmäßig wird der Lagerbolzen LB hierzu in die entsprechenden Festsitzbohrungen des Gabelzwischenhebels GZH eingepresst.
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Erfinderisch ist durch den Einsatz eines Gabelzwischenhebels GZH der Bauteilbedarf erheblich reduziert, wobei durch die aufgezeigte Lager- bzw. Abstützanordnung des Gabelzwischenhebels GZH eine sehr stabile und steife Führung des Gabelzwischenhebels gewährleistet werden kann.
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Zur Lösung der vierten gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, die Lagerung eines Zwischenhebels bzw. dessen Abstützung an der Stützwelle in jener Form auszugestalten, wie sie in der 7b dargestellt ist.
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In der Darstellung ist eine besonders vorteilhafte Lager- bzw. Abstützanordnung aufgezeigt, durch welche die mittelbare Abstützung des Gabelzwischenhebels GZH über Stützlager SL an den Stützkurven SK der Stützwelle SW in reinem Wälzkontakt realisiert ist.
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Hierdurch können mit Vorteil die Verstellkräfte der Verstelleinrichtung reduziert werden, wobei ein Verschleiß an den beiden Stützkurven SK bzw. an den äußeren Zylindermantelflächen der beiden Stützlager SL auf ein Minimum reduziert ist.
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Zur Aufnahme der Stützlager SL wird der drehfest mit dem Gabelzwischenhebel GZH gefügte Lagerbolzen LB zu beiden Seiten verlängert ausgeführt und auf diesen überstehenden Bolzenzapfen werden nun die ergänzenden Stützlager SF angeordnet.
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Diese können anschließend an den Außenseiten des Lagerbolzen LB auf einfache Weise mittels Axialsicherungsringen (mittels Seeger- oder Sprengringen) in ihrer axialen Lage fixiert werden.
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In der gezeigten Lageranordnung ist das Zwischenhebellager ZHL jetzt ausschließlich für die formschlüssige Anbindung des Lagerbolzens LB an die Verstellschwinge VS zuständig, wobei eine kraftschlüssige Abstützung des Lagerbolzens LB an den Stützkurven SK der Stützwelle SW über die zwischengeschalteten Stützlager SL erfolgt.
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Bei einer Verdrehbewegung der Stützwelle SW wälzen sich die Lageraußenringe der Stützlager SL nunmehr vorteilhaft an den zugeordneten Stützkurven SK ab.
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Von Vorteil ist weiter, das die Lagerung der Verstellschwinge VS an der Exzenterwelle EW, bzw. der Lagersitz des Zwischenhebellagers ZHL unter Ausnutzung des gegebenen Bauraums sehr breit ausgeführt werden können, sodass eine sehr präzise Führung des Gabelzwischenhebels GZH bezüglich seiner Parallelität zur Exzenterwelle EW verwirklicht werden kann.
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Ferner werden durch die vorgeschlagene Lager- bzw. Abstützanordnung die vertikal gerichteten Kräfte auf sehr direktem Wege in die Stützwellenlagerung abgeleitet.
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Eine axiale Orientierung des Gabelzwischenhebel GZH kann auf einfache Weise mittelbar durch die Verstellschwinge VS erfolgen, welche hierzu mit einem einen radial angeordneten Passstift im großen Lagerauge der Exzenterlagerung versehen wird.
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Dieser Passstift kann dabei in eine umlaufende Nut im Exzenterzapfen EXZ eingreifen, wobei die Verstellschwinge VS hierdurch axial gehalten ist.
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Alternativ können die Stützlager SL mit Spurkränzen versehen werden, wobei die seitliche Führung durch die Stirnseiten der Stützkurvenelemente erfolgen kann.
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Selbstverständlich kann eine Lageranordnung, bei welcher ein Zwischenhebellager ZHL ausschließlich für die formschlüssige Anbindung des Lagerbolzens LB an die Verstellschwinge VS zuständig ist und eine kraftschlüssige Abstützung des Lagerbolzens LB an den Stützkurven SK der Stützwelle SW über zwischengeschaltete Stützlager SL erfolgt, auch bei einfachbreiten Zwischenhebeln zur Anwendung kommen, welche nur zur Betätigung eines einzelnen Hubventils vorgesehen sind.
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Ebenso können die axialen Anordnungen zueinander und/oder die Anzahl von Zwischenhebellagern ZHL und Stützlagern SL abweichend vom Ausführungsbeispiel gewählt sein.
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Dem Fachmann ist weiter klar, dass die Stützlager SL, abweichend zur Darstellung in der 7b, auch mit wesentlich größerem Durchmesser ausgeführt werden können.
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Hierzu bedarf es lediglich einer Verlagerung der Stützwellenachse C3 nach Oben, sowie eine entsprechende Anpassung der Stützkurvenform.
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Ebenso können die Stützlager SL sowie die korrespondierenden Stützkurven SK in größerer Baubreite ausgeführt sein.
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Endscheidend in allen denkbaren Ausgestaltungsformen ist lediglich, dass Stützlager SL und Zwischenhebellager ZHL in einer konzentrischen Achse C4 angeordnet liegen.
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Zur Lösung der fünften gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, die Stützwelle als gebaute Welle auszugestalten.
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Hierzu können Fertigungs- und Fügeverfahren angewendet werden, wie diese beispielsweise in der Herstellung gebauter Nockenwellen als allgemeiner Stand der Technik bestens bekannt sind.
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In der 8 ist ein Teilstück einer gebauten Stützwelle SW gezeigt, wobei sich dieses Teilstück über zwei Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine erstreckt.
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Erfinderisch wird vorgeschlagen, mehrere Funktionselemente mit einer Grundwelle GW zu fügen, wobei dieser Fügeprozess beispielsweise mittels klassischem Aufschrumpfen und/oder Aufpressen erfolgen kann.
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Alternativ könnte auch ein Innenhochdruck-Fügeverfahren, oder ein anderes geeignetes Fügeverfahren bekannter Art angewendet werden.
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Unter Funktionselementen sollen insbesondere einzelne Stützringe SR mit entsprechend angeformten Stützkurven SK, einzelne Lagerringe LR, Zahnräder ZR usw. verstanden werden.
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Die Funktionselemente können dabei grundsätzlich alle als Einzelbauteil gefertigt werden.
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Wie in der 8 dargestellt, können einzelne Funktionselemente jedoch auch zweckmäßig als Multifunktionsbauteil zusammengefasst sein.
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So ist auf der linken Seite der 8 der äußere Lagerring LR mit dem Zahnrad ZR als gemeinsames Bauteil zusammengefasst.
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Die Grundwelle GW kann als spitzenlos geschliffenes Präzisionsrohr oder als spitzenlos geschliffene Vollwelle ausgestaltet sein, wobei das Zentrum der Grundwelle GW die spätere Lagerachse C3 der Stützwelle SW bildet.
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Nunmehr können nacheinander einzelne Funktionselemente (ZR, LR, SR) in einer axialen, bzw. teilweise auch radialen Lageorientierung (radiale Lageorientierung beim Zahnrad ZR sowie den Stützringen SR) mit der Grundwelle GW gefügt werden.
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Zur axialen Orientierung der Funktionselemente können hierbei auch nicht dargestellte Distanzhülsen zwischen den Funktionselementen auf der Grundwelle GW vorgesehen werden.
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Mit Vorteil liegen aus höherwertigem Stahl gefertigte Funktionselemente dabei bereits in ihrer endgültigen Formgebung vor, d. h. die einzelnen Funktionselemente wurden vor dem Fügeprozess bereits fertigbearbeitet.
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Unter Fertigbearbeitet sind neben der geometrischen Formgebung auch ergänzende Wärmebehandlungen (Härten, Vergüten etc.) angedacht, so dass die Funktionselemente bereits eine ihrem späteren Funktionsbereich zugedachte Oberflächenhärte und/oder Zähigkeit aufweisen.
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Einzelne Funktionselemente können auch als gesinterte Bauteile ausgeführt sein.
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Grundsätzlich ist es auch denkbar, alternativ zu den dargestellten Gleitlagerringen LR, ungeteilte Wälzlager in den Lagerebenen anzuordnen, welche in Abhängigkeit der Fügeprozessfolge in der erforderlichen Reihenfolge nacheinander auf die Grundwelle GW aufgefädelt werden.
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Die Herstellung der Stützwelle wird durch eine gebaute Ausgestaltung vereinfacht, wobei mit Vorteil auch deren Herstellkosten reduziert werden können.
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Zur Lösung der sechsten gestellten Aufgabe wird vorgeschlagen, die Exzenterwelle EW ebenfalls als gebaute Welle auszugestalten.
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Eine besonders zweckmäßige und kompakte Ausgestaltung der Exzenterwelle EW ist dabei in der 9 dargestellt.
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Hierzu wird vorgeschlagen, der spitzenlos geschliffenen Grundwelle GW die Funktion des Exzenterzapfens EXZ zuteilwerden zu lassen, wozu das Zentrum CEX der Grundwelle GW entsprechend exzentrisch zur zylinderkopfseitigen Lagerachse C2 der Exzenterwelle EW angeordnet wird.
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Die exzentrische Anordnung der Grundwelle GW wird dabei durch exzentrisch angeordnete Bohrungen in den Funktionselementen LR, ZR, SR herbeigeführt.
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Das heißt, die Fügebohrung der Lageringe LR, des Zahnrads ZR und des Schneckenrads SR liegen relativ zur äußeren Kreisform der genannten Funktionselemente um jenes Maß außermittig, um welches Maß die Schwenklagerachse CEX der Verstellschwingen VS versetzt zur zylinderkopfseitigen Lagerachse C2 der Exzenterwelle EW angeordnet werden soll.
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Zweckmäßig können sowohl Zahnrad als auch Schneckenrad als Multifunktionselemente mit jeweilig einem äußeren Lagerring LR als gemeinsames Bauteil zusammengefasst werden.
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Vor dem Fügen benachbarter Funktionselemente wird jeweilig eine schwenkbeweglich gelagerte Verstellschwinge VS mit verbunden Zwischenhebeln, bzw. Gabelzwischenhebeln GZH auf die geschliffene Grundwelle GW aufgefädelt, wobei die fertig gefügte Exzenterwelle EW nunmehr mit den aufgefädelten Verstellschwingen eine gemeinsame, unlösbare Baugruppe bildet.
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Die Funktionselemente werden bevorzugt durch thermisches Aufschrumpfen und/oder Aufpressen mit der Grundwelle GW gefügt, wobei zwischen den aufgeschrumpften Funktionselementen und den Verstellschwingen VS mit Vorteil einfache Distanzhülsen DH angeordnet werden können. Somit sind die schwenkbeweglich gelagerten Verstellschwingen VS in ihrer axialen Lage auf besonders einfache Weise an der Exzenterwelle EW orientiert.
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Da die Exzenterwelle EW größere Verstellmomente übertragen muss, können die Funktionselemente ergänzend durch formschlüssige Verbindungselemente mit der Grundwelle GW verbunden sein, wobei insbesondere an Passfedern PF, Passstifte, Vielkeilverzahnungen, Polygone oder dgl. gedacht ist.
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Nach einer erfolgten Fertigmontage des Zylinderkopfs steht das dargestellte Zahnrad ZR der Exzenterwelle EW mit dem komplementären Zahnrad der Stützwelle kämmend im Eingriff, das Schneckenrad SR steht dabei mit der Schnecke des Verstellmotors im Eingriff.
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Selbstverständlich können je Zylinder der Brennkraftmaschine auch zwei Verstellschwingen VS mit Einzelzwischenhebeln ZH auf einer gebauten Exzenterwelle EW angeordnet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel einer gebauten Exzenterwelle EW mit einzeln angeordneten Zwischenhebeln soll kurz mit Hilfe der 10 erläutert werden:
Hierzu wird vorgeschlagen, die schwenkbeweglich gelagerten Verstellschwingen VS gegabelt auszuführen, wobei eine Verstellschwinge zu beiden Seiten mit einen Lagersitz versehen ist, in welchen je ein Zwischenhebellager ZHL eingepresst wird.
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Der gezeigte Lagerbolzen LB ist dabei einerseits drehfest mit dem Zwischenhebel ZH gefügt und andererseits schwenkbeweglich in den beiden Zwischenhebellagern ZHL gelagert.
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Vor dem Fügen der gelenkigen Verbindung aus Verstellschwinge VS und Zwischenhebel ZH wurde das ergänzende Stützlager SL mittig im Zwischenhebel ZH angeordnet, welches Stützlager SL nach dem Fügeprozess nunmehr freidrehend auf dem Lagerbolzen LB angeordnet liegt.
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Über das zentral angeordnete Stützlager SL stützt sich nun jeder Lagerbolzen LB an einer jeweilig zugeordneten Stützkurve SK der Stützwelle SW ab.
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Eine axiale Orientierung der Verstellschwingen VS auf der Exzenterwelle EW kann wiederum zweckmäßig durch Distanzhülsen DH erfolgen.
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Auch in dieser vorgeschlagene Lager- bzw. Abstützanordnung werden die vertikal gerichteten Kräfte auf sehr direktem Wege in die Stützwellenlagerung abgeleitet.
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Durch die vorgeschlagene, gebaute Ausgestaltung einer Exzenterwelle EW ist mit Vorteil ein äußerst kompakter Verbund aus Exzenterwelle EW, Verstellschwingen VS und Zwischenhebeln ZH bzw. Gabelzwischenhebeln GZH realisiert, welcher Verbund nun als fertige Baugruppe nachgelagerten Montagelinien zugeführt werden kann.
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Somit sind sowohl die Herstellkosten, als auch die Folgemontagekosten erheblich reduziert.
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Es leuchtet ein, das einzelne Verstellschwingen VS ggf. auch nadelgelagert auf der Grundwelle GW angeordnet werden können.
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Ebenso kann in einer gleitgelagerten Ausführung der Verstellschwingen VS eine Druckölversorgung durch die Grundwelle GW hindurch erfolgen, wobei das Drucköl von den Lagerstellen der Exzenterwelle EW abgegriffen werden kann.
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Abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel können das Zahnrad ZR und das Schneckenrad SR auch an einem gemeinsamen Ende der Exzenterwelle EW angeordnet liegen.
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Hier sei abschließend noch allgemein angemerkt, das in allen Ausgestaltungsformen der Hubventilsteuerung zur Kompensation von Fertigungstoleranzen bzw. Toleranzketten klassifizierte Rollenschlepphebel SH Verwendung finden können.
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Eine Klassifizierung kann sich dabei sowohl auf den Durchmesser der Laufrolle SHR als auch auf den Abstand der Kugelkalotte zum Zentrum C5 der Laufrolle SHR beziehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011104548 [0002, 0003, 0004, 0031, 0034, 0036, 0040]
