DE102014008156A1

DE102014008156A1 - Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014008156A1
Application number: DE102014008156.7A
Authority: DE
Inventors: Julian Hermann; Christoph Lincke; Peter Schmidt
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2034-05-31
Also published as: DE102014008156B4

Abstract

Es ist bekannt unterschiedliche Nockenkonturen (6a1; 6a2; 6b1; 6b2) auf der Nockenwelle (2) einzustellen, indem Schaltelemente (12a, 12b) in Schaltkonturen (8a, 8b) eingreifen und Nockenstücke (4) axial auf der Nockenwelle (2) verschieben. Nachteilig ist dabei, dass die Schaltelemente (12a, 12b) hohen Kräften ausgesetzt sind, was zu einem schnellen Verschleiß der Schaltelemente (12a, 12b) führt. Die Schaltelemente (12a, 12b) müssen dementsprechend stark dimensioniert werden, was zu erhöhtem Gewicht und benötigtem Bauraum führt. Zur Verbesserung hinsichtlich Verschleiß, erhöhter Betriebssicherheit und Gewicht sowie Bauraum wird vorgeschlagen, dass die Schaltelemente (12a, 12b) aus zumindest teilweise durch Nitrierung gehärtetem Stahl und die Schaltkonturen (8a, 8b) aus gehärtetem Wälzlagerstahl bestehen. Die Erfindung ist für Ventiltriebe für Brennkraftmaschinen vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 19611641 C1 ist bereits ein gattungsgemäßer Ventiltrieb bekannt. Das Nockenstück besitzt dabei mehrere unterschiedliche Nockenkonturen, die mit einem Hubventil in Wirkverbindung stehen. Die unterschiedlichen Nockenkonturen werden dabei durch axiales Verschieben des Nockenstücks auf der Nockenwelle eingestellt. Zum Verschieben des Nockenstücks fährt ein Schaltelement in Form eines Schaltpins in eine Schaltkontur in Form einer Schaltnut ein. Der Schaltpin folgt der Schaltnut und verschiebt so das Nockenstück in axialer Richtung. Dabei wirken hohe Kräfte auf den Schaltpin, was zu einem schnellen Verschleiß des Schaltpins führt. Der Schaltpin muss dementsprechend stark dimensioniert werden, was zu erhöhtem Gewicht und benötigtem Bauraum führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, dessen Schaltelement einen geringeren Verschleiß besitzt und folglich leichter und dünner ausgelegt werden kann und dessen Lebensdauer erhöht wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Der Ventiltrieb besteht aus einer Nockenwelle, die aus einer Trägerwelle mit wenigstens einem drehfest und axial auf der Trägerwelle verschiebbaren Nockenstück besteht, welches durch ein Schaltelement mit zumindest einem Betätigungselement, das in eine Schaltkulisse eingreift, verschiebbar ist. Das Nockenstück ist durch die Kontur der Schaltkulisse von einer ersten axialen Endposition in eine zumindest zweite axiale Endposition verschiebbar. Das Betätigungselement besteht dabei erfindungsgemäß zumindest teilweise aus nitriertem Stahl bzw. durch Nitrierung gehärteten Stahl. Durch die Nitrierung des Betätigungselements wird der Verschließ, der aufgrund der starken Belastung, wie Hertzsche Pressung und Reibgeschwindigkeit, zwischen Betätigungselement und Schaltkontur entsteht, minimiert.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine besonders vorteilhafte Materialpaarung ergibt sich, wenn die Schaltkontur aus gehärtetem Wälzlagerstahl besteht.
Besonders vorteilhaft ist, wenn das Betätigungselement nur im vorderen, in die Schaltkontur eingreifenden Teil nitriert ist.
Dabei ist eine Plasmanitrierung als Nitrierung des Betätigungselements besonders geeignet.
Ein Betätigungselement in Form eines Betätigungsbolzens ist dabei besonders vorteilhaft.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Dabei zeigen:
1 ausschnittweise den Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine in einer ersten Endposition und
2 ausschnittweise den Ventiltrieb wie in 1 in einer ersten Endposition mit betätigtem Schaltelement und
3 ausschnittweise den Ventiltrieb wie in 1 in einer zweiten Endposition und
4 ausschnittweise den Ventiltrieb wie in 2 in einer zweiten Endposition mit betätigtem Schaltelement.
Der erfindungsgemäße Ventiltrieb umfasst eine Nockenwelle 1, die aus einer Trägerwelle 2 besteht, welche in wenigstens zwei Nockenwellenlagern 3a, 3b entsprechend links und rechts gelagert ist. Die Trägerwelle 2 weist wenigstens ein Nockenstück 4 pro Zylinder der Brennkraftmaschine auf, welches aus einem mittigen Teil 5 und daran jeweils links und rechts endseitig anschließenden Nockenabschnitten 6a, 6b besteht, gefolgt von jeweils einer Schaltkulisse 7a; 7b. Jede Schaltkulisse 7a; 7b besitzt eine Schaltkontur 8a; 8b, zum Beispiel in Form einer wendelförmig umlaufenden Nut, deren Nuttiefe veränderlich ist. Die in 1 links dargestellte Schaltkontur 8a hat eine wendelförmig nach rechts bzw. zum inneren Nockenabschnitt 6a bzw. zu den Nockenkonturen 6a1, 6a2 verlaufende Nut. Die rechts dargestellte Schaltkontur 8b verläuft ebenso spiegelsymmetrisch von rechts nach links zu den Nockenkonturen 6b1, 6b2 hin. Die Nockenabschnitte 6a, 6b weisen jeweils zwei verschiedene Nockenkonturen 6a2, 6a2; 6b1, 6b2 auf. Die Nockenkonturen 6a2, 6a2; 6b1, 6b2 besitzen unterschiedliche Außenkonturen und bewirken so verschiedene Betätigungscharakteristiken für Gaswechselventile. An die Nockenabschnitte 6a, 6b greifen Abnehmer bzw. Nockenfolger zum Beispiel in Form von Schlepphebeln 9a; 9b an, die entsprechend vorgesehende Gaswechselventile betätigen. Es handelt sich beim Ausführungsbeispiel um Einlassventile, es können aber auch Auslassventile mit dem erfindungsgemäßen Ventiltrieb geschaltet werden. Durch die verschiedenen Betätigungscharakteristiken der Gaswechselventile lassen sich je nach Leistungsbedarf der Brennkraftmaschine unterschiedliche Ventilhübe einstellen. Dies erfolgt durch Verschieben des Nockenstücks 4 mit seinen Nockenkonturen 6a1, 6a2, 6b1, 6b2 auf der Trägerwelle 2. Die zwei Nockenkonturen 6a1, 6a2 des einen Nockenabschnitts 6a stehen je nach Position des Nockenstücks 4 auf der Trägerwelle 2 abwechselnd mit einem ersten einlassseitigen Gaswechselventil, die zwei Nockenkonturen 6b1, 6b2 des anderen Nockenabschnitts 6b mit einem zweiten einlassseitigen Gaswechselventil über die Schlepphebel 9a, 9b in Wirkverbindung. Das Nockenstück 4 ist auf der Trägerwelle 2 drehfest und axial verschiebbar mittels einer nicht dargestellten Längsverzahnung verbunden. Die innenseitig vorgesehende Längsverzahnung des Nockenstücks 4 greift dabei in eine korrespondierende Außenverzahnung der Trägerwelle 2 ein, so dass Längsverschiebungen des Nockenstücks 4 auf der Trägerwelle 2 möglich sind, aber in Umfangsrichtung eine drehfeste Verbindung erfolgt.
Weiter besitzt der erfindungsgemäße Ventiltrieb zwei Schaltelemente 10a, 10b mit jeweils einem Aktuator 11a; 11b, der beispielsweise elektromagnetisch betätigbar ist. Der Aktuator 11a; 11b verschiebt ein axial zum Nockenstück 4 verlaufendes Betätigungselement, beispielsweise einem Betätigungsbolzen 12a; 12b, das dann in die Schaltkontur 8a; 8b der Schaltkulisse 7a; 7b eingreift. Der Eingriff des Betätigungselements 12a, 12b ist nur in einer bestimmten Stellung der Schaltkulissen 7a, 7b möglich.
In 1 befindet sich das Nockenstück 4 auf der Trägerwelle 2 in einer ersten Endposition. Dabei stehen jeweils die Nockenkonturen 6a1, 6b1 über die Schlepphebel 9a, 9b mit den Gaswechselventilen in Wirkverbindung. Im Folgenden wird beschrieben, wie das Nockenstück 4 in seine in 3 dargestellte zweite Endposition gelangt. Das Nockenstück 4 wird durch das Betätigen des linken Schaltelements 10a axial auf der Trägerwelle 2 in die zweite, in 3 dargestellte Endposition verschoben, indem das Betätigungselement 12a, wie in 2 gezeigt, in Pfeilrichtung 13 in die Schaltkulisse 7a im Nockenstück 4 eingreift und der Schaltkontur 8a der Schaltkulisse 7a folgt. Beim Erreichen der zweiten Endposition wird das Betätigungselement 12a deaktiviert, indem die Schaltkulisse 7a durch Reduzierung der Tiefe der Nut der Schaltkontur 8a das Betätigungselement 12a in seine Ausgangposition zurückdrückt. Durch den Eingriff und die Form der Schaltkulisse 7a kommt es zu einem Verschieben des Nockenstücks 4 nach links. Nun stehen, wie in 3 gezeigt, jeweils die Nockenkonturen 6a2, 6b2 über die Schlepphebel 9a, 9b mit den Gaswechselventilen in Wirkverbindung.
Zum Erneuten axialen Verschieben des Nockenstücks 4 in die erste, in 1 dargestellte Endposition auf der Trägerwelle 2 greift das rechte Betätigungselement 12b in Pfeilrichtung 13 in die Schaltkulisse 7b im Nockenstück 4 ein. Folglich verläuft die Verschiebung analog zum oben beschriebenen Ablauf.
Beim Verschieben des Nockenstücks 4 auf der Trägerwelle 2 in die jeweiligen Endpositionen, wirken durch die Flächenpressung und die hohe Reibgeschwindigkeit zwischen dem Betätigungselement 12a; 12b und der Schaltkontur 8a; 8b in den Kontaktbereichen 15a; 15b, 16a; 16b hohe Kräfte auf das Bestätigungselement 12a; 12b und die Schaltkontur 8a; 8b, was zu einem erhöhten Verschleiß des Betätigungselements 12a; 12b und/oder der Schaltkontur 8a; 8b führt. Um einen Ausfall des Systems, z. B. durch Bruch des Betätigungselements 12a; 12b, und/oder die konstruktive Vergrößerung des Durchmessers des Betätigungselements 12a; 12b zu vermeiden, wird das Betätigungselement 12a; 12b zumindest partiell nitriert und die Schaltkontur 8a; 8b aus gehärtetem Wälzlagerstahl gefertigt. Durch die veränderten Materialeigenschaften des Betätigungselements 12a; 12b und der Schaltkontur 8a; 8b in Form erhöhter Oberflächenhärte wird der Verschleiß zwischen diesen beiden Bauteilen minimiert, was zu einer erhöhten Lebensdauer des Systems führt und das Betätigungselement 12a; 12b konstruktiv mit kleinerem Durchmesser ausgelegt werden kann, was zu Verbesserungen bzgl. Gewicht und Bauraum des System führt. Besonders die Paarung aus nitriertem Betätigungselement 12; 12b und gehärteter Schaltkontur 8a; 8b aus Wälzlagerstahl führt zu geringem Verschleiß, da der Reibkoeffizient zwischen beiden Bauteilen in den Kontaktbereichen 15a; 15b, 16a; 16b verringert wird. Das Betätigungselement 12a, 12b wird dabei nur im vorderen Teil 14a; 14b, welches beim Verschieben des Nockenstücks 4 auf der Trägerwelle 2 mit der Schaltkontur 8a; 8b in Kontakt steht, plasmanitriert. Der Rest des Betätigungselements 12a; 12b wird dazu während des Nitriervorgangs mit einer Kulisse abgedeckt, so dass nur der vordere Teil 14a; 14b frei liegt und nitriert werden kann. So kann das Betätigungselement 12; 12b partiell im Kontaktbereich von Betätigungselement 12; 12b und Schaltkontur 8a; 8b und damit im Bereich der hohen mechanischen Belastung dieser Bauteile gehärtet werden. Das Betätigungselement 12a; 12b kann dabei aus Einsatzstahl oder aus besonders gut nitrierbarem Nitrierstahl sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19611641 C1 [0002]

Claims

Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle, die aus einer Trägerwelle mit wenigstens einem drehfest und axial auf der Nockenwelle verschiebbaren Nockenstück besteht, welches durch ein Schaltelement mit zumindest einem Betätigungselement, das in eine Schaltkontur eingreift, von einer ersten axialen Endposition in eine zumindest zweite axiale Endposition verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (12a; 12b) aus zumindest teilweise durch Nitrierung gehärtetem Stahl besteht.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkontur (8a; 8b) aus gehärtetem Stahl, insbesondere Wälzlagerstahl besteht.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (12a; 12b) nur im vorderen, in die Schaltkontur (8a; 8b) eingreifenden Teil (14a; 14b) nitriert ist.
Ventiltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Nitrierung des Betätigungselements (12a; 12b) um eine Plasmanitrierung handelt.
Ventiltrieb nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselements (12a; 12b) in Form eines Betätigungsbolzens ausgeführt ist.