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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betätigung von Verstellwellen hubschaltbarer Ventiltriebe von Brennkraftmaschinen.
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Stand der Technik
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Es sind Ventiltriebsvorrichtungen bekannt, die über eine Einrichtung zum Umschalten des Hubs von Gaswechselventilen verfügen. Die Erfindung geht von einem Ventiltrieb aus, bei dem die Gaswechselventile, insbesondere Einlassventile und Auslassventile einer Brennkraftmaschine, mittels einer Nockenwelle direkt oder indirekt betätigt werden. Zum Umschalten des Ventilhubs sind auf der Nockenwelle benachbarte Nocken mit unterschiedlichen Nockenformen vorgesehen, die zu einer Nockeneinheit zusammengefasst sind. Durch eine axiale Verschiebung der Nockeneinheiten auf der Nockenwelle wird der Hub der Gaswechselventile entsprechend der Kontur der Nocken verändert. Für die Verschiebung der Nockeneinheiten ist eine parallel zur Nockenwelle verlaufende Verstellwelle mit entsprechenden Elementen für den Eingriff auf die axialverschiebbaren Bauteile, beispielsweise Nockeneinheiten vorgesehen. Die Verstellwelle ist in mehreren Wellenlagern drehbar in einem Gehäuse parallel zur Nockenwelle gelagert. Als Gehäuse können ein Zylinderkopf, ein Leiterrahmen, Module oder sonstige Einrichtungen zur Aufnahme einer Verstellwelle verstanden werden. Auf der Verstellwelle ist zumindest eine Verstelleinrichtung gelagert, die einer Nockeneinheit zur direkten oder indirekten Betätigung von Gaswechselventilen zugeordnet ist.
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In der Patentschrift
DE 10 2008 061 440 B3 wird eine parallel zu einer Nockenwelle angeordnete verdrehbare Verstellwelle beschrieben, auf der drehfest zwei Verstelleinrichtungen und zwischen den Verstelleinrichtungen zwei auf der Verstellwelle axial verschiebbare Mitnehmer zur Ventilumschaltung zwischen zwei unterschiedlichen Nockenprofilen eines axial auf der Nockenwelle verschiebbaren Nockenpakets angeordnet sind. Durch Verdrehen der Verstellwelle werden die Mitnehmer auf der Verstellwelle axial verschoben, wobei die Verdrehung durch die Nockenwelle erfolgt. Dazu ist auf der Verstellwelle ein drehfest, aber axial verschiebbares Zahnrad angeordnet, das zum Verdrehen der Verstellwelle mit einem auf der Nockenwelle angeordneten Zahnsegment durch einen an der Verstellwelle angeordneten Antrieb in Eingriff gebracht wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 057 691 A1 ist eine parallel zu einer Nockenwelle angeordnete Verstellwelle bekannt, welche mittels eines Stellgetriebes mit der Nockenwelle verbindbar ist, so dass die Verstellwelle bei einem hergestellten Wirkeingriff mit der Nockenwelle durch diese verdreht wird, wodurch über Mitnehmer und eine Schaltkulisse ein mit unterschiedlichen Nockenprofilen versehenes Nockenpaket auf der Nockenwelle axial verschoben wird. Das Stellgetriebe zum Verbinden und Trennen der Nockenwelle mit der Verstellwelle besteht aus einem ein- oder mehrarmigen Hebelsystem und einem profilierten Kulissenteil. Das Hebelsystem ist fest auf der Verstellwelle angeordnet. Das Kulissenteil ist drehfest und axial verschiebbar auf der Nockenwelle angeordnet, wobei es durch einen Aktuator schaltbar mit dem Hebelsystem in Eingriff bringbar und trennbar ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 005 790 A1 ist ein variabler Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen zur Betätigung von Gaswechselventilen bekannt, bei dem die Gaswechselventile mit unterschiedlichen Nockenprofilen einer Nockenwelle in Eingriff bringbar sind. Die Nockenwelle weist dazu wenigstens ein verschiebbares Nockensegment mit mehreren unterschiedlichen Nockenprofilen auf. Die axiale Positionierung des Nockensegments relativ zu den Gaswechselventilen erfolgt durch eine drehbare Stellwelle, welche parallel zur Nockenwelle angeordnet ist und eine Führungsbahn zur Führung eines Mitnehmers aufweist. Der Mitnehmer wiederum wirkt auf ein die axiale Lage des Nockensegments bestimmendes und mit diesem verbundenes Übertragungsglied ein.
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Der Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten technischen Lösungen ist der hohe Bauraumbedarf, der zur Verdrehung der Verstellwelle benötigt wird. Diese Lösungen sind deshalb nur bei entsprechend ausgeführten Zylinderkopfhauben beziehungsweise ausreichend großem Rotationsbauraum im Bereich der Verstellwelle einsetzbar, um die entsprechenden Bauteile unterbringen zu können.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Betätigung einer Verstellwelle für einen Ventiltrieb zum Umschalten des Hubs von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, wobei der benötigte Bauraum reduziert wird.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, mit der sich eine Verstellwelle eines hubschaltbaren Ventiltriebs in besonders vorteilhafter Weise betätigen lässt. Die erfindungsgemäße Betätigung der Verstellwelle ist dafür zumindest aus einer Hebeleinheit auf der Verstellwelle und einer Nockeneinheit auf einer Nockenwelle aufgebaut. Die Hebeleinheit ist mit der Verstellwelle drehfest verbunden oder mittels einer Kupplung drehfest mit der Verstellwelle verbindbar. Die Hebeleinheit verfügt über einen ersten Hebelarm und mindestens einen weiteren axial und radial beziehungsweise winkelversetzt relativ zur Verstellwelle beabstandeten Hebelarm. Die Nockeneinheit ist mit der Nockenwelle drehfest verbunden oder mittels einer Kupplung drehfest mit der Nockenwelle verbindbar. Auf der Nockeneinheit ist wenigstens ein Nocken mit einer Nockenkontur vorgesehen. Jeder der axial und winkelversetzt auf der Verstellwelle beabstandeten Hebelarme ist mit wenigstens einem Nocken der Nockeneinheit in Wirkverbindung bringbar. Dementsprechend wird die Verstellwelle von der Nockenwelle mittels der Hebeleinheit auf der Verstellwelle und der Nockeneinheit auf der Nockenwelle verdreht. Dazu ist eine axiale Verschiebung der Hebeleinheit auf der Verstellwelle und des Nockenelementes auf der Nockenwelle zueinander notwendig, um einen Hebelarm des Hebelelementes mit einem Nocken des Nockenelementes in Wirkverbindung zu bringen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist entweder die Hebeleinheit auf der Verstellwelle oder die Nockeneinheit auf der Nockenwelle axial verschiebbar gelagert, wobei das entsprechende Gegenstück der Wirkverbindung mit der jeweiligen Welle axial unverschiebbar positioniert ist.
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Wird ein Hebelarm der Hebeleinheit auf der Verstellwelle mit einem Nocken der Nockeneinheit in Wirkverbindung gebracht, so stützt sich der Hebelarm der Hebeleinheit auf einer Außenkontur des Nockens ab. Dieser Kontakt zwischen Hebelarm und Außenkontur des Nockens kann als Reib- beziehungsweise Gleitkontakt oder als Rollkontakt mittels mindestens einer zusätzlichen Rolle, Walze oder Kugel oder dergleichen ausgeführt werden. Durch die Drehung der Nockenwelle und dementsprechend der Nockeneinheit mit den darauf angeordneten Nocken wird der Hebelarm der Hebeleinheit und dementsprechend die Verstellwelle verdreht. Die Übertragung der Drehbewegung erfolgt durch die drehfeste Verbindung der Nockeneinheit mit der Nockenwelle und die drehfeste Verbindung der Hebeleinheit mit der Verstellwelle. Der Hebelarm der Hebeleinheit, welcher mit einem Nocken der Nockeneinheit in Wirkverbindung gebracht wurde, vollzieht dabei eine Schwenkbewegung um die Drehachse der Verstellwelle entsprechend der Auslenkung der Nockenkontur und deren Hubverlauf, welcher durch die Drehung der Nockenwelle erzeugt wird. Die Verstellwelle wird entsprechend der Schwenkbewegung der Hebeleinheit definiert verdreht.
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Durch den ersten Hebelarm kann eine Verdrehung der Verstellwelle mit der entsprechenden Betätigung durch einen Nocken der Nockeneinheit in eine erste Verdrehrichtung erfolgen. Der weitere Hebelarm der Hebeleinheit kann dem ersten Hebelarm bezüglich der Drehachse so entgegengesetzt angeordnet sein, so dass er bei einer Betätigung durch einen Nocken des Nockenelementes eine der ersten Verdrehrichtung entgegengerichtete Verdrehung der Verstellwelle erzeugt. Durch die axiale Verschiebung der Hebeleinheit mit dem ersten Hebelarm und dem wenigstens einen weiteren axial und winkelversetzt beabstandeten Hebelarm und der mit wenigstens einem Nocken versehenen Nockeneinheit zueinander, kann der erste Hebelarm mit dem Nocken oder der weitere Hebelarm mit demselben Nocken in Wirkverbindung gebracht werden. Da der erste Hebelarm und der weitere Hebelarm entgegengesetzte Verdrehungen der Verstellwelle erzeugen, kann somit eine Hin- und Herschaltung einer Ventilhubumschaltung realisiert werden.
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Die Hebelarme sind an der Hebeleinheit derart angeordnet, dass ein Schwenkhebel mit mehreren, vorzugsweise zwei entgegengesetzt gerichteten Hebelarmen entsteht. Als entgegengesetzte Hebelarme sind Hebelarme zu verstehen, deren Kontaktflächen beziehungsweise deren Kontaktelemente, wie Rolle, Walze, Kugel oder dergleichen zur Wirkverbindung bezogen auf die Drehachse der Hebelarme zueinandergerichtet sind.
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Werden in vorteilhafter Weise Hebelarme mit gleicher Ausführung der Form verwendet, so ergibt sich bei einer Blickrichtung parallel zur Drehachse auf die Hebeleinheit eine Spiegelsymmetrie der Hebelarme bezüglich einer Achse senkrecht zur Drehachse, welche dann die Winkelhalbierende zwischen den beiden Hebelarmen bildet.
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Durch die Betätigung des ersten Hebelarmes, wenn dieser in Wirkverbindung mit dem Nocken steht, wird der entgegengesetzte weitere Hebelarm ebenfalls mitbewegt und in eine Grundstellung gebracht, wenn die maximale Auslenkung des ersten Hebelarmes erreicht wird. In der Grundstellung ist der Hebelarm derart positioniert, dass eine Umschaltung des Nockens vom ersten Hebelarm zum weiteren Hebelarm erfolgen kann und sich sodann der weitere Hebelarm auf dem Grundkreis der Nockenkontur abstützt. Ist der weitere Hebel mit dem Nocken in Wirkverbindung gebracht, wird der Hebel entsprechend der Verdrehung der Nockenwelle und dem dadurch erzeugten Nockenhub ausgelenkt und bringt wiederum den ersten Hebelarm in die Grundstellung. Der Schwenkhebel ermöglicht somit eine sichere Hin- und Herschaltung zwischen zwei Stellungen der Verstellwelle. Im Bereich des Grundkreises der Nockenkontur kann eine Umschaltung zwischen den Hebelarmen erfolgen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zwei Nocken verwendet, deren sich gleichende Konturen zueinander phasenverschoben sind, um eine Korrektur des Schaltzeitpunktes bei einer bestimmten Nockenwellenwinkelzuordnung zu ermöglichen, da sich die Schaltzeitpunkte für die Hin- und Herschaltung durch den Einsatz des Schwenkhebels und die unterschiedlichen Eingriffspunkte des jeweiligen Hebelarms auf den Nockenkonturen unterscheiden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können mehrere unterschiedliche Nocken auf der Nockeneinheit verwendet werden, wodurch eine Umschaltung zwischen wenigstens zwei Stellungen der Verstellwelle ermöglicht wird. Die ist beispielsweise durch die Anordnung von drei Nocken möglich, wobei ein großer Nocken beidseitig von zwei kleineren Nocken auf der Nockeneinheit axial umgeben ist, wobei die maximale Auslenkung der kleinen Nocken mit dem Grundkreis des großen Nockens zumindest annähernd übereinstimmt. Dadurch ist ein stufenweises Verdrehen des Schwenkhebels möglich, wobei eine zusätzliche Zwischenstellung der Verstellwelle ermöglicht wird.
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Weiterhin sind alternative Anordnungen von Nocken auf der Nockeneinheit und von Hebelarmen auf der Hebeleinheit zur Bildung eines Schwenkhebels mit wenigstens zwei Hebelarmen möglich, um Zwischenstellungen der Verstellwelle und somit mehrfache Hubumschaltungen für die Betätigung der Gaswechselventile zu realisieren. Dazu sind beispielsweise vier Hebelarme auf der Hebeleinheit positioniert, wobei jeweils zwei Hebelarme gleichsinnig und zwei Hebelarme entgegengesetzt ausgerichtet, axial und winkelversetzt beabstandet angeordnet sind, um eine stufenweise Verdrehung der Verstellwelle mit nur einem Nocken auf der Nockeneinheit zu ermöglichen. Somit ergeben sich zwei Gruppen von Hebelarmen, wobei die Hebelarme innerhalb der jeweiligen Gruppe gleichsinnig ausgerichtet sind und gegenüber den Hebelarmen der anderen Gruppe entgegengesetzt gerichtet sind.
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Die axiale Verschiebung des Hebelelementes in Ausgestaltung als Schwenkhebel mit axial und winkelversetzt beabstandeten Hebelarmen und der Nockeneinheit zueinander kann durch verschiedene Maßnahmen erfolgen. In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise erfolgt die Umschaltung durch eine von der Nockenwelle angetriebene Umschaltkulisse und einen Pin, welcher über einen Aktuator in die Umschaltkulisse eingefahren wird. Alternativ ist beispielsweise auch eine Magnetumschaltung verwendbar, welche die axiale Verschiebung ermöglicht. Diese und weitere aus dem Stand der Technik bekannten Mechanismen zur axialen Verschiebung können entweder an der Hebeleinheit und / oder an der Nockeneinheit angeordnet sein.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass bei einem geringen Aufwand und einem geringen benötigten Bauraum eine sichere Ventilhubumschaltung erfolgt. Einzelne Merkmale der Erfindung lassen sich zu neuen sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
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Ausführungsbeispiel
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer Verstellwellenbetätigung in Ausgangsposition zu Beginn der Schwenkbewegung durch Wirkverbindung am ersten Hebelarm,
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2: eine schematische Darstellung einer Verstellwellenbetätigung zum Ende der Schwenkbewegung in einer ersten Verdrehrichtung,
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3: eine schematische Darstellung einer Verstellwellenbetätigung beim Auslösen der Schwenkbewegung durch Wirkverbindung an einem weiteren Hebelarm, und
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4: eine schematische Darstellung einer Verstellwellenbetätigung zum Ende der Schwenkbewegung in einer zweiten Verdrehrichtung.
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Die erfindungsgemäße Verstellwellenbetätigung, dargestellt in den 1 bis 4, besteht aus einer Nockeneinheit (1) mit einem Nocken (2), wobei die Nockeneinheit (1) auf einer Nockenwelle (3) drehfest gelagert ist und einer Hebeleinheit (4) mit einem ersten Hebelarm (5) und wenigstens einem axial und winkelversetzt beabstandeten weiteren Hebelarm (6), wobei die Hebeleinheit (4) auf einer Verstellwelle (7) drehfest gelagert ist. Die wenigstens zwei Hebelarme (5, 6) sind an der Hebeleinheit (4) derart angeordnet, dass ein Schwenkhebel gebildet wird und die beiden Hebelarme (5, 6) zueinander entgegengesetzt positioniert sind. In einer ersten Schaltstellung, dargestellt in 1, befindet sich der erste Hebelarm (5) mit dem einen Nocken (2) der Nockeneinheit (1) in Wirkverbindung. Durch die Drehbewegung der Nockenwelle (3) und der darauf gelagerten Nockeneinheit (1) wir dem ersten Hebelarm (5) über die Nockenkontur (8) eine Schwenkbewegung aufgezwungen, wodurch sich die Verstellwelle entsprechend dem Hub der Nockenkontur (8) und dem Hebel des ersten Hebelarmes (5) verdreht. Die Nockenkontur (8) auf dem Nocken (2) ist in einen Grundkreis (9) einer ansteigenden Nockenkontur (10), einer maximalen Auslenkung (11) und einer abfallenden Nockenkontur (12) unterteilt.
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Befindet sich der erste Hebelarm (5) in Wirkverbindung mit dem Nocken (2), wird durch die Drehung der Nockenwelle (3) eine Schwenkbewegung erzeugt, bis der Bereich der maximalen Auslenkung (11) und somit das Ende der Schwenkbewegung in einer ersten Verdrehrichtung der Verstellwelle (7) erreicht wird, dargestellt in 2. Durch die Schwenkhebelausführung wird der weitere Hebelarm (6) zeitgleich auf die Höhe der Auslenkung des Grundkreises (9) bewegt.
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Befindet sich der weitere Hebelarm (6) durch eine axiale Verschiebung der Nockeneinheit (1) in Wirkverbindung mit dem Nocken (2), dargestellt in 3, wird durch die Drehung der Nockenwelle (3) eine Schwenkbewegung erzeugt, bis der Bereich der maximalen Auslenkung (11) und somit das Ende der Schwenkbewegung in einer zweiten, der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Verdrehrichtung der Verstellwelle (7) erreicht wird, dargestellt in 4. Durch die Schwenkhebelausführung wird der erste Hebelarm (5) zeitgleich auf die Höhe der Auslenkung des Grundkreises (9) bewegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockeneinheit
- 2
- Nocken
- 3
- Nockenwelle
- 4
- Hebeleinheit
- 5
- erster Hebelarm
- 6
- weiterer Hebelarm
- 7
- Verstellwelle
- 8
- Nockenkontur
- 9
- Grundkreis
- 10
- ansteigende Nockenkontur
- 11
- maximale Auslenkung
- 12
- abfallende Nockenkontur
