DE102014211192A1

DE102014211192A1 - Hubvariabler Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014211192A1
Application number: DE102014211192.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Nendel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2014-06-12
Filing date: 2014-06-12
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Ventiltrieb (1) einer Brennkraftmaschine, mit einer Nockenwelle, die eine Trägerwelle (2) sowie ein darauf drehfest und zwischen zwei Axialpositionen verschiebbar angeordnetes Nockenstück (3) umfasst, das eine Nockengruppe benachbarter Nocken (4, 5) mit unterschiedlichen Nockenerhebungen und eine nutförmige Axialkulisse (8', 8'', 8''') aufweist, und mit einem Aktuator (13), der einen in die Axialkulisse radial einfahrenden Betätigungsstift (10) umfasst, wobei sich die Nutwände (11, 12) der Axialkulisse am Außenmantel des Betätigungsstifts unter Verschiebung des Nockenstücks abstützen und mit einer an die durch die Abstützung bedingte Verkippung des Betätigungsstifts angepassten Neigung an den Außenmantel des Betätigungsstifts anschmiegen. Dabei soll der Betätigungsstift einen zylindrischen Außenmantel und die Nutwände einen geraden Querschnittsverlauf aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einer Nockenwelle, die eine Trägerwelle sowie ein darauf drehfest und zwischen zwei Axialpositionen verschiebbar angeordnetes Nockenstück umfasst, das eine Nockengruppe benachbarter Nocken mit unterschiedlichen Nockenerhebungen und eine nutförmige Axialkulisse aufweist, und mit einem Aktuator, der einen in die Axialkulisse radial einfahrenden Betätigungsstift umfasst. Dabei stützen sich die Nutwände der Axialkulisse am Außenmantel des Betätigungsstifts unter Verschiebung des Nockenstücks ab und schmiegen sich mit einer an die durch die Abstützung bedingte Verkippung des Betätigungsstifts angepassten Neigung an den Außenmantel des Betätigungsstifts an.
Bei derartigen hubvariablen Ventiltrieben handelt es sich um sogenannte Schiebenocken-Ventiltriebe, die aus zahlreichen Druckschriften bekannt sind, unter anderem aus der DE 101 48 177 A1 , DE 101 48 179 A1 oder der DE 10 2007 051 739 A1 . Zur Verringerung der Kontaktpressungen zwischen dem Betätigungsstift und der Axialkulisse ist es in der DE 102 11 394 A1 vorgeschlagen, den Außenmantel des Betätigungsstifts und die Nutwände der Axialkulisse in deren gegenseitigem Eingriffsbereich ballig zu formen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ventiltrieb der eingangs genannten Art anzugeben, der bei geringen Kontaktpressungen am Betätigungsstift und den sich daran abstützenden Nutwänden konstruktiv möglichst einfach gestaltet ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Demnach sollen der Betätigungsstift einen zylindrischen Außenmantel und die Nutwände einen geraden Querschnittsverlauf aufweisen. Eine beschleunigungs- und geometrieabhängige Nutwandneigung bewirkt eine kostenneutrale Kraft- und Pressungsreduzierungsmaßnahme. Zudem kann durch die sich einstellende geringere Steifigkeit die Höhe der Kraftpeaks reduziert werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen die Erfindung schematisch und anhand zweier Ausführungsbeispiele dargestellt ist. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt eines bekannten hubvariablen Gaswechselventiltriebs einer Brennkraftmaschine in Seitenansicht;
2 im Querschnitt einen bekannten Betätigungsstift im Eingriff mit einer bekannten Axialkulisse;
3 den in der Axialkulisse verkippten Betätigungsstift gemäß 2;
4 den in der Axialkulisse verkippten und unter Belastung verformten Betätigungsstift gemäß den 2 und 3;
5 im Querschnitt eine erfindungsgemäße Axialkulisse, deren Nutwände an die Verkippung und Verformung des Betätigungsstifts angepasst sind;
6 in einer Abwicklung das erste Ausführungsbeispiel mit einer S-förmigen Axialkulisse zur einseitigen Verschiebung des Nockenstücks und in der Abwicklung eingezeichnete Nutquerschnitte der Axialkulisse;
7 einen der Nutquerschnitte aus 6 mit darin eingefahrenem Betätigungsstift;
8 in einer Abwicklung das zweite Ausführungsbeispiel mit einer X-förmig offenen Axialkulisse zur beidseitigen Verschiebung des Nockenstücks und in der Abwicklung eingezeichnete Nutquerschnitte der Axialkulisse;
9 einen der Nutquerschnitte aus 8 mit darin eingefahrenem Betätigungsstift.
1 zeigt einen bekannten hubvariablen Gaswechselventiltrieb 1 einer Brennkraftmaschine, dessen grundlegendes Funktionsprinzip sich dahingehend zusammenfassen lässt, dass eine konventionell starr ausgebildete Nockenwelle durch eine außenverzahnte Trägerwelle 2 und darauf mittels Innenverzahnung drehfest und axialverschiebbar gelagerte Nockenstücke 3 ersetzt ist. Jedes Nockenstück 3 weist zwei Gruppen axial unmittelbar benachbarter Nocken 4 und 5 auf, deren unterschiedliche Nockenerhebungen mittels Schlepphebeln 6 auf die Gaswechselventile 7 übertragen werden. Die zur betriebspunktabhängigen Aktivierung des jeweiligen Nockens 4 oder 5 erforderliche Verschiebung des Nockenstücks 3 auf der Trägerwelle 2 erfolgt über zwei nutförmige Axialkulissen 8 und 9 am Nockenstück, die sich entsprechend der Verschieberichtung in ihrer Orientierung unterscheiden, und über zylindrische Betätigungsstifte 10, die je nach momentaner Stellung des Nockenstücks 3 selektiv in eine der Axialkulissen 8 oder 9 einfahren. Jeder Betätigungsstift 10 ist Teil eines nicht dargestellten elektromagnetischen Aktuators, wie er beispielsweise aus der EP 1 421 591 B1 bekannt ist.
In bisher bekannten Nutgeometrien der Axialkulissen 8, 9 werden die Nuten durch ihre Bahnkontur und die Nockenwellenachse 15 bestimmt. Hierbei steht der Fräser senkrecht zur Achse und wird an den Nutwänden 11 und 12 (siehe 2) entlang bewegt. Die bisherigen Nutauslegungen zielten auf die Dauerhaltbarkeit des Betätigungsstifts 10 gegen Bruch ab.
Durch Ideen wie Einlauftrichter, Phasenshift und ähnliches konnte die Dauerhaltbarkeit gegen Bruch in vielen Anwendungen sichergestellt werden. Hierbei wurde das Pressungsverhalten des Betätigungsstifts 10 an der Nutwand 11 bzw. 12 vernachlässigt. Bricht der Betätigungsstift 10 nicht, ist der Verschleiß von Nut 8 und Betätigungsstift 10 der dauerhaltbarkeitsbeschränkende Faktor. Hier setzt die Erfindung an.
Beschreibung der Fig. 2 bis Fig. 4 (bekannte Ausführungen):
Der Außenmantel des Betätigungsstifts 10 ist im Eingriffsbereich zu den Nutwänden 11 und 12 rein zylindrisch, wobei der Betätigungsstift 10 im Betrieb nicht immer ideal senkrecht zur Nockenwellenachse steht, wie dies in 2 der Fall ist. Zum einen führen Spiele im Aktuator 13 und vom Aktuator 13 zum Zylinderkopf zu einer Verkippung des Betätigungsstifts 10. Dies zeigt 3. Zum anderen führen die Verschiebekräfte zu elastischen Verformungen gemäß 4. Hierbei kommt es im oberen Bereich der Nut 8 zu hohen lokalen Pressungen.
5 zeigt eine erfindungsgemäß angepasste Nut 8' für die gegebene Belastung. Die geeignete Neigung der abstützenden Nutwand 11 setzt sich aus den sich einstellenden Endlagen und der Deformation der Teile zusammen. Die Deformation ist abhängig von der Verschiebekraft und diese wiederum von der Beschleunigung des Nockenstücks 3. Die Neigung der Nutwände 11 und 12 ist in den Abbildungen übertrieben dargestellt. Je nach Last und Spiel wird die Neigung voraussichtlich unter 5° bleiben.
Die Nutneigung wird in den 6 und 7 für die S-Geometrie eine Axialkulisse 8'' und in den 8 und 9 für die X-Geometrie einer Axialkulisse 8''' dargestellt. Für alle anderen Nutgeometrien ist die Ausführung vom Prinzip gleich.
Ziel der Auslegung ist es, für hohe Beschleunigungen, die optimale Anschmiegung des Betätigungsstifts 10 an die im Querschnitt gerade verlaufenden Nutwände 11 bzw. 12 zu gewährleisten. Im besten Fall führt dies zu einer linienförmigen Kontaktzone, wenn die Neigung der Nutwände 11 bzw. 12 an die durch die Abstützung des sich verschiebenden Nockenstücks bedingte Verkippung des Betätigungsstifts 10 angepasst ist.
In oberen Einlaufbereich der Axialkulisse 8'' können die Nutwand 11 und die dazu stets parallele, gegenüberliegende Nutwand 12 senkrecht bleiben, da keine Lasten auftreten. Dies hat den Vorteil, dass die Nut 8'' schmal ausgeführt werden kann und somit keinen zusätzlichen axialen Bauraum benötigt.
Im folgenden Teil beginnt die Neigung der Nutwand 11 sich so zu steigern, das die vorhandenen Spiele auf Kontakt gebracht werden.
Mit beginnender Beschleunigung steigt die Neigung der Nutwand 11.
Ausgelegt wird die maximale Neigung auf die maximale Beschleunigung. Zum Beschleunigungsdurchgang werden die Nutwände 11 und 12 wieder senkrecht.
Ablaufend legt sich die Neigung zur anderen Richtung um die verzögerungskrafte aufzunehmen.
Im unteren Auslauf wird die Nutwand 12 wieder senkrecht um axialen Bauraum zu sparen.
Die in den 8 und 9 dargestellte Axialkulisse 8''' in Form einer offenen X-Nut ist prinzipiell gleichermaßen ausgelegt. Lediglich die unbelastete Nutwand entfällt aufgrund der offenen Nutgeometrie, deren ebenfalls gerade Nutwände 11 und 12 sich bezüglich des Nutgrunds 14 V-förmig gegenüberstehen.
Anders als jeweils dargestellt, können die Nutwände 11 und 12 sowohl bei der Axialkulisse 8'' als auch bei der Axialkulisse 8''' einen durchgehend V-förmigen Verlauf mit konstanter oder veränderlicher Neigung haben.
Bezugszeichenliste

1: Ventiltrieb
2: Trägerwelle
3: Nockenstück
4: Nocken
5: Nocken
6: Schlepphebel
7: Gaswechselventil
8: Axialkulisse
9: Axialkulisse
10: Betätigungsstift
11: Nutwand
12: Nutwand
13: Aktuator
14: Nutgrund
15: Nockenwellenachse

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 10148177 A1 [0002]
DE 10148179 A1 [0002]
DE 102007051739 A1 [0002]
DE 10211394 A1 [0002]
EP 1421591 B1 [0015]

Claims

Ventiltrieb (1) einer Brennkraftmaschine, mit einer Nockenwelle, die eine Trägerwelle (2) sowie ein darauf drehfest und zwischen zwei Axialpositionen verschiebbar angeordnetes Nockenstück (3) umfasst, das eine Nockengruppe benachbarter Nocken (4, 5) mit unterschiedlichen Nockenerhebungen und eine nutförmige Axialkulisse (8', 8'', 8''') aufweist, und mit einem Aktuator (13), der einen in die Axialkulisse (8', 8'', 8''') radial einfahrenden Betätigungsstift (10) umfasst, wobei sich die Nutwände (11, 12) der Axialkulisse (8', 8'', 8''') am Außenmantel des Betätigungsstifts (10) unter Verschiebung des Nockenstücks (3) abstützen und mit einer an die durch die Abstützung bedingte Verkippung des Betätigungsstifts (10) angepassten Neigung an den Außenmantel des Betätigungsstifts (10) anschmiegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsstift (10) einen zylindrischen Außenmantel und die Nutwände (11, 12) einen geraden Querschnittsverlauf aufweisen.