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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ventiltrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßer Ventiltrieb ist aus der Druckschrift
DE 10 2004 011 586 A1 bekannt. Bei diesem Ventiltrieb befinden sich auf einer mit einer Außenverzahnung versehenen Grundnockenwelle mehrere Nockenträger mit einer komplementären Innenverzahnung, die dort drehfest und axial verschiebbar geführt sind. Zur Betätigung von Gaswechselventilen eines Zylinders sind auf dem zugehörigen Nockenträger Nockenprofilgruppen vorgesehen, wobei jede Profilgruppe zwei verschiedene Nockenprofile aufweist, die wechselweise mit dem Nockenfolger eines Gaswechselventils in Anlage zu bringen sind. Dabei lässt sich durch axiale Verschiebung der Nockenträger auf der Grundnockenwelle zwischen zwei definierten Stellungen jeweils eines der beiden Nockenprofile jeder Nockenprofilgruppe mit einem Nockenfolger des dazugehörigen Ventils in Anlagekontakt bringen, wobei in der genannten Druckschrift der Nockenfolger als Rollenschlepphebel ausgebildet ist. Um die Nockenträger in den beiden axial in Richtung der Grundnockenwelle definierten Positionen zu fixieren, weist der bekannte Ventiltrieb Rastvorrichtungen auf. Diese Rastvorrichtungen umfassen jeweils ein Andruckelement in Form einer Rastkugel, welche in eine radial verlaufende Bohrung der Grundnockenwelle eingesetzt ist und durch die Kraft einer Schraubenfeder in der Bohrung radial nach außen gegen eine gegenüberliegende Rastnut gepresst wird, welche auf der radialen Innenseite des Nockenträgers angeordnet ist. Der Nockenträger weist zwei Rastnuten auf, deren Abstand und Position so gewählt ist, dass jede Rastnut in Anlage mit der Rastkugel exakt ein Nockenprofil mit dem Nockenfolger in Anlage bringt.
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Der Ventiltrieb kann beispielsweise Teil eines Nockenwellenmoduls sein, welches über mindestens eine Nockenwelle und einen Lagerrahmen mit Lagervorrichtungen verfügt. Ein solches Nockenwellenmodul ist aus der Druckschrift
WO 2014026669 A1 bekannt. Nockenwellenmodule werden vormontiert geliefert und beinhalten den gesamten Ventiltrieb, ausgenommen die Gaswechselventile und die Nockenfolger selbst. Dabei sind die Nockenwellen in einer so genannten Haube gelagert, die auf dem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors montiert wird und diesen nach oben hin wie ein Ventildeckel abschließt.
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Die Funktion des eingangs genannten Ventiltriebs sieht vor, dass im Betrieb des Verbrennungsmotors der Nockenträger mit den beiden Nockenprofilen in der einen oder der anderen axialen Position eingerastet ist, aber in Abhängigkeit von einem Steuerelement zwischen diesen beiden Positionen umgeschaltet werden kann. Hierdurch ergibt sich in den unterschiedlichen Drehzahlbereichen, in denen ein Verbrennungsmotor betrieben wird, jeweils eine eigene, an optimierte Leistung oder optimierten Verbrauch angepasste Gaswechselcharakteristik. Insbesondere kann bei höheren Drehzahlen auf ein Nockenprofil umgeschaltet werden, das eine längere Öffnungszeit der Gaswechselventile vorsieht.
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Für einen dauerhaften, störungsfreien und verschleißarmen Betrieb ist es erforderlich, dass der Nockenfolger exakt auf dem einen oder dem anderen Profil des Nockenträgers läuft und dass der Übergangsbereich, in dem die beiden Nockenprofile aneinander angrenzen, außerhalb der Anlagefläche mit dem Nockenfolger positioniert ist. Der Aktuator, der die Umschaltung bewirkt, ist üblicherweise ein Steuerstift, der in einen sich mit dem Nockenträger drehende Kulisse eingreifen kann. Die Position des Steuerstifts in Axialrichtung definiert dabei zwangsläufig auch die Position des Nockenträgers in der jeweiligen Schaltstellung.
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Bei Nockenwellenanordnungen mit einer Grundnockenwelle und wenigstens einem auf der Grundnockenwelle axial verschiebbaren Nockenträger, der von einem am Gehäuse des Nockenwellenmoduls oder an der Lagergasse befestigten Aktuator ergibt sich eine Verschiebung der relativen Positionen der verschiedenen Bauelemente zueinander, weil die Grundnockenwelle im Allgemeinen an einem Ende in einem Axial/Radial-Lager in ihrer Axialposition fixiert ist, während das andere Ende der Nockenwelle sich in geringem Maße in Axialrichtung innerhalb der Lagerung verlagern kann. Diese Auslegung ist erforderlich, um eine Überbestimmtheit zu vermeiden, die zu Spannungen auf Grund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung der Nockenwelle gegenüber der Lagergasse oder dem Gehäuse des Nockenwellenmoduls resultiert.
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Ein konkretes Problem kann sich ergeben, wenn der auf der Grundnockenwelle verschiebliche Nockenträger auf Grund thermischer Ausdehnung gegenüber den im Zylinderkopf in ihrer Position festgelegten Gaswechselventilen, den Nockenfolgern und gegenüber dem in dem Nockenwellenmodul fixierten Aktuator wandert. Dies ist der Fall, wenn der Rastvorrichtung, der den Nockenträger in seiner Verstellposition halten soll, an der Grundnockenwelle fixiert ist, da dann die Rastposition mit der thermischen Ausdehnung der Grundnockenwelle gegenüber dem Nockenfolger und dem Gaswechselventilen wandert. Diese Relativverschiebung insbesondere gegenüber dem Nockenfolger führt dazu, dass die Kontaktflächen zwischen den Nocken des Nockenträgers und dem Nockenfolger um den Betrag der thermischen Ausdehnung breiter ausgeführt werden müssen, um ein Auswandern des Nockenfolgers über den vorgesehenen Kontaktbereich zu verhindern.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Nockenwellenanordnung zu schaffen, bei der die Rastung des Nockenträgers in der jeweiligen Verstellposition unabhängig von der thermischen Ausdehnung der Grundnockenwelle festgelegt ist.
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Diese Aufgabe wird von einer Nockenwellenanordnung mit Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weil die Rastvorrichtung in einem Trägerelement gelagert ist, welches einen vergleichbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie der Lagerträger und/oder der Zylinderkopf ist die Rastposition unabhängig von der thermischen Expansion der Grundnockenwelle gegenüber den im Zylinderkopf befestigten Gaswechselventilen und/oder dem an dem Lagerträger oder der Haube des Nockenwellenmoduls befestigten Aktuator definiert. Im Rahmen der Erfindung weist demnach das Trägerelement einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bzw. einen Wärmeausdehnungskoeffizient auf, dessen Wert näherungsweise dem Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Lagerträgers und/oder des Zylinderkopfes entspricht. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Trägerelement und Lagerträger bzw. Zylinderkopf sind demnach vorteilhaft zwar vergleichbar, jedoch nicht zwingen identisch. Es ist des Weiteren jedoch auch denkbar, dass das Trägerelement denselben bzw. einen identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Lagerträger und/oder der Zylinderkopf aufweist. Die Kontaktfläche, insbesondere zwischen den Nocken und dem zugeordneten Nockenfolger kann dadurch besonders schmal ausgelegt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass auf Grund von thermischer Expansion der Nockenfolger den nicht aktiven, benachbarten Nocken an einer Kante von dessen Lauffläche trifft, praktisch eliminiert. Auch die Positionierung des Aktuators gegenüber der Kulissenführung der Steuerkurve am Nockenträger ist temperaturunabhängig.
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Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Trägerelement für die Rastvorrichtung als Stange ausgeführt und im Innern der rohrförmigen Grundnockenwelle angeordnet ist und sich mit dieser Grundnockenwelle im Betrieb synchron dreht. Bei dieser Ausführung kann die Rastvorrichtung innerhalb des hülsenförmigen Nockenträgers angeordnet werden, wodurch sich ein besonders kompakter Aufbau ergibt und allenfalls geringe Relativbewegungen des Nockenträgers gegenüber der Rastvorrichtung im Betrieb auftreten. Vorteilhaft weist dazu die Grundnockenwelle im Bereich der Rastvorrichtung ein in Axialrichtung ausgerichtetes Langloch auf, um eine Bewegung des Rastelements, welches die Grundnockenwelle von dem innenliegenden Trägerelement nach außen zu dem Nockenträger hin durchgreift, in Axialrichtung der Grundnockenwelle zu erlauben. Vorzugsweise ist außerdem der Rastkörper als Stift oder Bolzen ausgeführt, der unter der Vorspannung einer Druckfeder nach außen gegen die Rastnuten des Nockenträgers vorgespannt ist. Gegenüber der üblichen Ausführung als Rastkugel ermöglicht diese Gestaltung eine verbesserte Führung des Rastkörpers innerhalb des Trägerelements. Eine Führung in der Grundnockenwelle ist dabei nicht erforderlich. Das Trägerelement für die Rastvorrichtungen ist in einer bevorzugten Ausführungsform dort mit der Grundnockenwelle drehfest verbunden, wo die Grundnockenwelle in einem Axiallager innerhalb des Nockenwellenmoduls oder der Lagergasse gelagert ist.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
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1: eine erfindungsgemäße Nockenwellenanordnung in einem Längsschnitt im Bereich der Rastung eines Nockenträgers.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Nockenwellenanordnung schematisch in einem Längsschnitt dargestellt.
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Eine Lageranordnung 1 lagert drehbar eine rohrförmige Grundnockenwelle 2, auf der in bekannter Weise in Axialrichtung verschieblich, aber drehfest gelagert, ein Nockenträger 3 angeordnet ist. Der Nockenträger 3 weist zwei Nockenprofilgruppen 13 auf, die jeweils einen Grundnocken 4 und einen Zusatznocken 5 umfassen. Ein Nockenfolger 6 ist jeder Gruppe von Nocken 4, 5 zugeordnet und läuft auf deren äußerer Umfangsfläche. Der Nockenträger 3 weist weiter zwei innen umlaufende Rastnuten 7 und 8 auf, in die ein Raststift 9 unter der Vorspannung einer Schraubendruckfeder 10 eingreift. Der Raststift 9 und die Schraubendruckfeder 10 sind in einem Trägerelement 11 in der Weise gelagert, dass der Raststift 9 unter der Kraft der Schraubendruckfeder 10 axial nach außen in die Rastnut 7 oder 8, je nach Schaltstellung des Nockenträgers 3, gedrängt wird und den Nockenträger 3 in der entsprechenden Position kraftschlüssig fixiert.
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Das Trägerelement 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel stangenförmig ausgebildet und innerhalb der Grundnockenwelle 2 koaxial angeordnet. In der Nähe der Lagerung der Grundnockenwelle 2 in der Lagervorrichtung 1 ist das Trägerelement 11 mit der Grundnockenwelle 2 fest verbunden, so dass sich zum Einen eine drehfeste Verbindung ergibt, die eine synchrone Rotation des Trägerelements 11 mit der angetriebenen Grundnockenwelle 2 ergibt und das zum Anderen die axiale Position des Trägerelements 11 im Bereich der Verbindungsstelle mit der Grundnockenwelle 2 festgelegt und gesichert ist.
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Das Nockenwellenlager 1 ist beispielsweise ein Axial/Radiallager, das in einem Grundkörper, auch Haube genannt, eines Nockenwellenmoduls ausgebildet ist. Grundnockenwelle 2 ist an dieser Stelle sowohl in Radialrichtung als auch in Axialrichtung definiert gelagert. Bei Temperaturänderungen ändert sich die relative Position der Grundnockenwelle 2 gegenüber dem Nockenwellenlager 1 im Wesentlichen nicht. Der Nockenfolger 6 ist ebenfalls an dem Grundkörper des Nockenwellenmoduls gelagert und ändert seine Position relativ zu dem Nockenwellenlager 1 auf Grund thermischer Ausdehnung mit dem Ausdehnungskoeffizienten des Grundkörpers des Nockenwellenmoduls.
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Der Grundkörper des Nockenwellenmoduls ist üblicherweise aus Leichtmetall, möglicherweise auch aus einem entsprechend belastbaren Kunststoff gefertigt. Die Grundnockenwelle 2 hingegen ist im Allgemeinen aus Festigkeitsgründen als Stahlrohr ausgebildet. In der Folge verschiebt sich bei Erwärmung der genannten Komponenten das von dem Axiallager entfernt liegende Ende der Grundnockenwelle 2 gegenüber dem Grundkörper des Nockenwellenmoduls. Alle zwischen dem freien Ende der Grundnockenwelle 2 und der Axiallagerung befindlichen Punkte auf der Grundnockenwelle 2 wandern relativ zu dem Grundkörper des Nockenwellenmoduls entsprechend ihrer Entfernung von der Axiallagerung jedenfalls.
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Wäre nun die Rastvorrichtung 14 unmittelbar auf der Grundnockenwelle 2 fixiert, so würde die Rastposition des Nockenträgers 3 mit der thermischen Expansion der Grundnockenwelle 2 gegenüber dem Grundkörper des Nockenwellenmoduls und damit auch die gegenüber dem daran gelagerten Nockenfolger 6 wandern. Die Folge wäre, dass (wie im Stand der Technik) der Nockenträger 3 mit den Laufbahnen der Nocken 4 und 5 sich gegenüber dem Nockenfolger 6 verschiebt. Die Laufbahnen müssen entsprechend breiter ausgeführt werden, damit der Nockenfolger 6 zuverlässig auf den Laufbahnen verbleibt.
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Dieses Problem wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfindungsgemäß gelöst. Das Trägerelement 11 ist innerhalb der Grundnockenwelle 2 koaxial angeordnet und nur in einem Bereich 15 mit der Grundnockenwelle 2 fest verbunden, wo diese in dem Nockenwellenlager 1 axial unverschieblich gelagert ist. In diesem Bereich 15 tritt deshalb auch dann keine oder nur eine unwesentliche axiale Verschiebung der Bauelemente gegeneinander auf, wenn bei Erwärmung aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten sich die Materialien des Grundträgers des Nockenwellenmoduls, der Grundnockenwelle 2 und des Trägerelements 11 bei Erhitzung thermisch ausdehnen. Der Werkstoff, der das Nockenwellenlager 1 und den Nockenfolger 6 trägt, also der Werkstoff des Gehäuses des Nockenwellenmoduls, falls die Nockenwellenanordnung als Modul aufgebaut ist, ist vorzugsweise gleichartig, zumindest aber von im wesentlichen gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten wie der Rastvorrichtungsträger 11. Im Allgemeinen wird dies eine Leichtmetalllegierung sein. Wenn also nun die äußere Tragestruktur, in der die Nockenwellenanordnung montiert ist, aus dem selben Material wie das Trägerelement 11 gebildet ist, dann verlagert sich bei thermischer Expansion der in dieser Tragestruktur gelagerter Nockenfolger 6 gegenüber dem Nockenwellenlager 1 im wesentlichen um den selben Betrag wie die Rastvorrichtung 14, da sich das Trägerelement 11 in gleicher Weise ausdehnt. In der Folge wandert der über die Rastnuten 7 oder 8 fixierte Nockenträger 3 entsprechend mit, und zwar auch in Axialrichtung gegenüber der Grundnockenwelle 2, die einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist.
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Im Ergebnis wird damit eine Nockenwellenanordnung geschaffen, bei der der Nockenwellenträger 3 über die Rastvorrichtung 14 unabhängig von der Temperatur stets so positioniert ist, dass der Nockenfolger 6 auf der jeweils gewählten Laufbahn der Nocken 4 oder 5 läuft und nicht aufgrund thermischer Verschiebung die Gefahr besteht, dass der Nockenfolger 6 mit dem Übergangsbereich zwischen den Nocken 4 und 5 kollidiert.
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Entsprechendes gilt für den in der Figur nicht dargestellten Aktuator, der mit einem Stift in eine ebenfalls nicht dargestellte, mit dem Nockenträger 3 verbundene Schaltkulisse eingreift. Der Aktuator ist an dem Grundkörper des Nockenwellenmoduls befestigt und wandert bezogen auf das Nockenwellenlager 1 bei thermischer Expansion mit diesem Grundkörper mit. Der geschilderte Aufbau gewährleistet, dass der Nockenwellenträger und dessen Schaltkulisse sich unabhängig von der Temperatur stets im wesentlichen in der selben Position gegenüber dem Aktuator befindet und deshalb auch das Eingreifen des Aktuatorstifts in die Schaltkulisse stets zuverlässig erfolgt, ohne dass dieser in Randbereichen der Schaltkulisse anstößt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004011586 A1 [0002]
- WO 2014026669 A1 [0003]
