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Die Erfindung betrifft eine Ventiltriebvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, eine Brennkraftmaschine mit einer Ventiltriebvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine.
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Es sind bereits Ventiltriebvorrichtungen für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einer Nockenwelle, die zumindest ein axial verschiebbares Nockenelement mit zumindest einem mehrspurigen Nocken aufweist, und mit einer gehäusefest angeordneten Schalteinheit, die zumindest ein feststehendes Schaltelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, mit dem Nockenelement in Wirkverbindung gebracht zu werden, bekannt, wobei das Nockenelement eine Schaltkulisse aufweist, die dazu vorgesehen ist, in Verbindung mit dem feststehenden Schaltelement eine Drehbewegung des Nockenelements in eine axiale Schaltbewegung umzusetzen.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Ventiltriebvorrichtung bereitzustellen, mit der eine hohe Bauteilgleichheit für den Einsatz bei verschiedenen Brennkraftmaschinen erreicht werden kann. Sie wird durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung entsprechend dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren entsprechend dem Anspruch 7 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung geht aus von einer Ventiltriebvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit zumindest einer Nockenwelle, die zumindest ein axial verschiebbares Nockenelement mit zumindest einem mehrspurigen Nocken aufweist, und mit einer gehäusefest angeordneten Schalteinheit, die zumindest ein Schaltelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, mit dem Nockenelement in Wirkverbindung gebracht zu werden.
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Es wird vorgeschlagen, dass das Schaltelement eine Wirkkontur aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Drehbewegung des Nockenelements in eine axiale Schaltbewegung umzusetzen. Ein Verlauf der axialen Schaltbewegung wird kann durch das Schaltelement unabhängig von einem Verlauf einer Schaltkontur an dem Nockenelement, beispielsweise einer Kulissenbahn einer Schaltkulisse, vorgegeben werden. Somit muss die Nockenwelle der Ventiltriebvorrichtung lediglich in Bezug auf eine Gestaltung des zumindest einen mehrspurigen Nockens auf die Brennkraftmaschine abgestimmt werden und nicht zudem in Bezug auf eine Lage der Schaltkulisse. Somit kann eine gleiche Nockenwelle für sämtliche Brennkraftmaschinen, die eine gleiche Gestaltung des zumindest einen mehrspurigen Nockens erfordern, eingesetzt werden. Ventiltriebvorrichtungen mit einer gleichen Nockenwelle können daher für eine Mehrzahl von Varianten einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Für Brennkraftmaschinen, die sich zwar in Hinblick auf Ventilschaltzeiten unterscheiden, aber deren Nockenwellen die gleichen mehrspurigen Nockenelemente erfordern, muss lediglich die Wirkkontur des Schaltelements angepasst werden und nicht mehr eine Schaltkulisse, sodass die gleiche Nockenwelle für die verschiedenen Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann. Dadurch kann eine hohe Bauteilgleichheit der Ventiltriebvorrichtung für verschiedene Brennkraftmaschinen erreicht werden. Zudem kann eine Wahl eines Umschaltzeitpunkts für eine Einleitung der axialen Schaltbewegung durch das Schaltelement bestimmt werden und kann insbesondere unabhängig von einer Winkellage der Nockenwelle gewählt werden. Unter einer „gehäusefest angeordneten Schalteinheit” soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Schalteinheit verstanden werden, die ein Schaltgehäuse aufweist, das an einem Gehäuse, das die Nockenwelle umgibt, befestigt ist. Darunter, dass „die Wirkkontur dazu vorgesehen ist, eine Drehbewegung des Nockenelements in eine axiale Schaltbewegung umzusetzen”, soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass die Wirkkontur des Schaltelements nach Herstellung der Wirkverbindung zwischen dem Schaltelement und der Nockenwelle die Drehbewegung des Nockenelements in eine axiale Schaltbewegung zur Verschiebung des Nockenelements umsetzt, wobei ein Verhältnis einer axialen Verschiebestrecke zu einer Umdrehung des Nockenelements, und damit ein Umsetzungsverhältnis, durch die Form der Wirkkontur des Schaltelements zumindest mit vorgegeben wird.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass sich das Schaltelement zur Umsetzung der Drehbewegung des Nockenelements in eine axiale Schaltbewegung an einem weiteren Element der Schalteinheit abstützt. Unter „Abstützen” soll dabei verstanden werden, dass eine Kraft und/oder ein Weg, die auf das Schaltelement wirkt oder den wenigstens ein Teilbereich des Schaltelements beschreibt, durch die Wirkung der Abstützung hinsichtlich Richtung und/oder Größe variiert wird. Dadurch kann in einfacher Weise eine Kraft die auf das Schaltelement wirkt und/oder ein Bewegungsablauf, den wenigstens ein Teilbereich des Schaltelements ausführt, einer für eine axiale Schaltbewegung des Nockenelements erforderlichen Kraft und/oder einem für eine axiale Schaltbewegung des Nockenelements erforderlichen Bewegungsablauf des Nockenelements angepasst werden.
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Ebenso wird vorgeschlagen, dass das zumindest eine Schaltelement und das Nockenelement zueinander korrespondierende Verzahnungen aufweisen, die dazu vorgesehen sind, die Drehbewegung des Nockenelements in eine Drehung des Schaltelements umsetzen. Dadurch kann auf eine konstruktiv einfache Weise eine Nutzung der Drehung des Nockenelements zur Einleitung der Schaltbewegung erreicht werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Schaltelement ein beispielweise als Drehachse ausgeführtes Wirkelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, die Bewegung des Schaltelements in die axiale Schaltbewegung umzusetzen. Dadurch kann auf eine konstruktiv einfache Weise eine Umsetzung der Bewegung des Schaltelements in die axiale Schaltbewegung, und damit eine Umsetzung der Drehbewegung der Nockenwelle in die axiale Schaltbewegung, erreicht werden.
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Es wird auch vorgeschlagen, dass das Schaltelement durch eine Bewegung, die zumindest eine radiale Komponente aufweist, mit dem Nockenelement in Wirkverbindung gebracht werden kann. Hierdurch wird erreicht, dass das Schaltelement in den Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, in denen keine Schaltbewegung des Nockenelements stattfindet, zum Nockenelement stärker radial beabstandet ist als in den Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, in denen eine Schaltbewegung des Nockenelements stattfindet. Hierduch wird eine unerwünschte Wechselwirkung des Schaltelements mit dem Nockenelement in den Betriebsphasen der Brennkraftmaschine, in denen keine Schaltbewegung des Nockenelements stattfindet, sicher vermieden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine, bei dem eine Drehbewegung zumindest eines axial verschiebbaren Nockenelements in eine axiale Schaltbewegung des Nockenelements umgesetzt wird, indem ein Schaltelement einer gehäusefest angeordneten Schalteinheit mit dem Nockenelement in Wirkverbindung gebracht wird und eine Wirkkontur des Schaltelements die Drehbewegung des Nockenelements in die axiale Schaltbewegung umsetzt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Figurenbeschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Dabei zeigen:
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1 eine Draufsicht auf eine Ventiltriebvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer Nockenwelle, die zumindest ein axial verschiebbares Nockenelement mit zwei mehrspurigen Nocken aufweist, und mit einer gehäusefest angeordneten Schalteinheit, die zwei Schaltelemente aufweist, die dazu vorgesehen sind, mit dem Nockenelement in Wirkverbindung gebracht zu werden, und die eine Wirkkontur aufweisen, die dazu vorgesehen ist, eine Drehbewegung des Nockenelements in eine axiale Schaltbewegung umzusetzen, zu Beginn einer axialen Schaltbewegung,
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2 eine Ventiltriebvorrichtung in Draufsicht nach Abschluss der axialen Schaltbewegung und
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3 eine Seitenansicht der Ventiltriebvorrichtung zu Beginn der axialen Schaltbewegung.
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Die 1 bis 3 zeigen eine Ventiltriebvorrichtung 10 für eine Brennkraftmaschine, mit einer Nockenwelle 11, die zumindest ein axial verschiebbares Nockenelement 14 mit zwei mehrspurigen Nocken 15, 19 aufweist, und mit einer gehäusefest angeordneten Schalteinheit 25, die zwei Schaltelemente 26, 30 aufweist, die dazu vorgesehen sind, mit dem Nockenelement 14 in Wirkverbindung gebracht zu werden. Die mehrspurigen Nocken 15, 19 umfassen jeweils drei Teilnocken 16, 17, 18, 20, 21, 22 mit unterschiedlichen Ventilhubkurven. Die Teilnocken 16, 17, 18, 20, 21, 22 von jeweils einem der Nocken 15, 19 sind jeweils unmittelbar benachbart angeordnet. Durch ein axiales Verschieben des Nockenelements 14 wird innerhalb der Nocken 15, 19 von dem einen Teilnocken 16, 17, 18 auf einen der anderen Teilnocken 20, 21, 22 umgeschaltet. Das Nockenelement 14 weist damit drei diskrete Schaltstellungen auf, in denen für den oder die Zylinder, die dem Nockenelement 14 zugeordnet sind, ein unterschiedlicher Ventilhub geschaltet ist.
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Die Nockenwelle 11 umfasst eine Triebwelle 12, auf der das Nockenelement 14 angeordnet ist. Die Triebwelle 12 weist an ihrem Außenumfang eine Geradverzahnung auf. Das Nockenelement 14 weist an seinem Innenumfang eine korrespondierende Geradverzahnung auf, die in die Geradverzahnung der Triebwelle 12 eingreift. Das Nockenelement 14 ist über die korrespondierende Geradverzahnung und die Geradverzahnung der Triebwelle 12 drehfest, aber in beide Axialrichtungen verschiebbar gelagert. Die Nockenwelle 11 rotiert um eine Drehachse 13 und versetzt dadurch das Nockenelement 14 in eine Drehbewegung. Die Triebwelle 12 umfasst eine Kurbelwellenanbindung zur Anbindung an eine nicht näher dargestellte Kurbelwelle. Alternativ ist es vorstellbar, dass die Nockenwelle 11 aus mehreren Nockenelementen 14 zusammengesetzt ist, die an ihren Rändern ineinandergreifen.
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Die Schaltelemente 26, 30 weisen jeweils eine Wirkkontur auf, die dazu vorgesehen ist, eine Drehbewegung des Nockenelements 14 in eine axiale Schaltbewegung umzusetzen. Jeweils eines der Schaltelemente 26, 30 der Schalteinheit 25 ist für eine axiale Schaltbewegung in eine Axialrichtung vorgesehen. Mittels des ersten Schaltelements 26 wird das Nockenelement 14 in eine erste Axialrichtung von der Schaltstellung, in der die in der Darstellung links auf den Nocken 15, 19 angeordneten Teilnocken 16, 20 oder die mittleren Teilnocken 17, 21 der Nocken 15, 19 auf einen nicht näher dargestellten Nockenfolger zur Betätigung von Gaswechselventilen einwirken, in die Schaltstellung, in der die mittleren Teilnocken 17, 21 der Nocken 15, 19 oder die in der Darstellung rechts auf den Nocken 15, 19 angeordneten Teilnocken 18, 22 auf den Nockenfolger einwirken, verschoben. Mittels des zweiten Schaltelements 30 wird das Nockenelement 14 entsprechend in Gegenrichtung verschoben. Die Schaltelemente 26, 30 sind als flache Scheiben ausgeführt und weisen eine Form eines Kreissegments mit einer kürzeren geraden Seite, einer längeren geraden Seite und einer gekrümmten Seite auf. Die Schaltelemente 26, 30 und das Nockenelement 14 weisen zueinander korrespondierende Verzahnungen 23, 24, 28, 32 auf, die dazu vorgesehen sind, die Drehbewegung des Nockenelements 14 in eine Drehung des Schaltelements 26, 30 umzusetzen. Die Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 sind an den äußeren Teilnocken 16, 22 angeordnet. Zähne der Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 sind jeweils in Axialrichtung, also entlang einer Richtung, in der die Drehachse 13 der Nockenwelle 11 verläuft, orientiert. Die Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 sind als nach außen weisende Stirnradverzahnungen ausgeführt. Die Verzahnungen 28, 32 der Schaltelemente 26, 30 sind auf den gekrümmten Seiten der Schaltelemente 26, 30 nach außen weisend angeordnet und bezüglich eines Zahnabstands und einer Zahnform zum Eingriff mit den Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 abgestimmt. Die Drehbewegung des Nockenelements 14 wird über ein Ineinandergreifen der Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 und der Verzahnungen 28, 32 der Schaltelemente 26, 30 abgegriffen und jeweils in die Drehung des Schaltelements 26, 30 umgesetzt.
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Die Schaltelemente 26, 30 weisen eine exzentrisch zu der Verzahnung 28, 32 angeordnete Drehachse 27, 31 auf, die dazu vorgesehen ist, die Drehung des Schaltelements 26, 30 in die axiale Schaltbewegung umzusetzen. Zum axialen Verschieben des Nockenelemets 14 kann sich das Schaltelement 26, 30 an der Drehachse 27, 31 abstützen. Die Drehachse 27, 31 ist jeweils an einer Ecke des Schaltelements 26, 30, an der die längere gerade Seite und die gekrümmte Seite des Schaltelements 26, 30 aneinandergrenzen, angeordnet. Durch eine exzentrische Anordnung der Drehachse 27, 31 wird bei der Drehung des Schaltelements 26, 30 ein Teilbereich des Schaltelements 26, 30 rotiert, sodass ein Schwerpunkt des Schaltelements 26, 30 in Axialrichtung verschoben wird. Das Schaltelement 26, 30 verschiebt dadurch das Nockenelement 14 in die jeweilige Axialrichtung. Die Schaltelemente 26, 30 umfassen jeweils eine nicht näher dargestellte Rückstelleinheit, die das Schaltelement 26, 30 in eine Ausgangsstellung verdreht, sobald ein Eingriff der Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 und der Verzahnungen 28, 32 der Schaltelemente 26, 30 endet. Bevorzugt ist die Rückstelleinheit als eine Spiralfeder ausgeführt, die an dem Schaltelement 26, 30 und an einer drehbaren Achse, durch die die Drehachse 27, 31 des Schaltelements 26, 30 verläuft, angeordnet ist. Alternativ ist es vorstellbar, dass beispielsweise ein kleiner Motor das Schaltelement 26, 30 nach Beendigung des Eingriffs der Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 und der Verzahnungen 28, 32 der Schaltelemente 26, 30 in die Ausgangsstellung zurückstellt. In einem Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine wird eine Drehbewegung des Nockenelements 14 in eine axiale Schaltbewegung des Nockenelements 14 umgesetzt, indem das Schaltelement 26, 30 der gehäusefest angeordneten Schalteinheit 25 mit dem Nockenelement 14 in Wirkverbindung gebracht wird und eine Wirkkontur des Schaltelements 26, 30 die Drehbewegung des Nockenelements 14 in die axiale Schaltbewegung umsetzt. In einem Betriebszustand vor einer Durchführung der axialen Schaltbewegung sind beide Schaltelemente 26, 30 in einer Richtung senkrecht zu der Drehachse 13 der Nockenwelle 11 mit einem Abstand zu dem Nockenelement 14 gelagert, sodass unabhängig von einer genauen Axialposition des Nockenelements 14 die Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 und die Verzahnungen 28, 32 der Schaltelemente 26, 30 sich nicht in einem Eingriff befinden. Eine Ebene, in der die Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 liegen, und eine Ebene, in der die Verzahnungen 28, 32 der Schaltelemente 26, 30 liegen, verlaufen parallel mit einem Abstand, wobei die Ebene, in der die Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 liegen, einen geringeren Abstand zu der Drehachse 13 der Nockenwelle 11 aufweist als die Ebene, in der die Verzahnungen 28, 32 der Schaltelemente 26, 30 liegen. Zu einer Einleitung der axialen Schaltbewegung wird von einem dem Schaltelement 26, 30 zugeordneten Aktuator 29, 33 der Schalteinheit 25 das jeweilige Schaltelement 26, 30 radial auf die Nockenwelle 11 zubewegt, bis die Verzahnung 28, 32 des jeweiligen Schaltelements 26, 30 in die jeweilige Verzahnung 23, 24 des Nockenelements 14 einspurt und die axiale Schaltbewegung durch die Drehung des jeweiligen Schaltelements 26, 30 über die jeweils ineinandergreifenden Verzahnungen 23, 28 oder 24, 32 eingeleitet wird. Durch eine Wahl eines Ansteuerungszeitpunkts der Aktuatoren 29, 33 wird ein Zeitpunkt des Beginns der axialen Schaltbewegung ausgewählt. Der Zeitpunkt des Beginns der axialen Schaltbewegung kann dadurch unabhängig von einer Winkellage der Nockenwelle 11 gewählt werden.
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Eine Drehung des Schaltelements 26, 30 wird mit einem nicht näher dargestellten Sensor aufgenommen, sodass eine nicht näher dargestellte Steuereinheit den Aktuator 29, 33 zur Abhebung des Schaltelements 26, 30 und damit zur Beendigung des Eingriffs der Verzahnungen 23, 24 des Nockenelements 14 und der Verzahnungen 28, 32 der Schaltelemente 26, 30 ansteuern kann. Die Steuereinheit steuert den Aktuator 29, 33 jeweils so an, dass die axiale Schaltbewegung zu einem für die Brennkraftmaschine kennfeldabhängig geeigneten Zeitpunkt eingeleitet wird. Das Schaltelement 26, 30 ist bezüglich einer Größe so ausgeführt, dass eine vollständige Umdrehung des Schaltelements 26, 30 das Nockenelement 14 um eine Teilnockenbreite verschiebt und eine Verschiebung des Nockenelements 14 um eine weitere Teilnockenbreite durch Versatz des Schaltelements 26, 30 um eine weitere Teilnockenbreite oder durch ein weiteres Schaltelement 26, 30, das entlang der Axialrichtung um eine Teilnockenbreite versetzt angeordnet ist, bewirkt wird. Eine Winkellage des Schaltelements 26, 30 relativ zu der jeweiligen Verzahnung 23, 24 des Nockenelements 14 zu einem Beginn der axialen Schaltbewegung kann durch die Steuereinheit über den Aktuator 29, 33 ebenfalls eingestellt werden, um eine relativ schnellere oder langsamere Schaltbewegung zu erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ventiltriebvorrichtung
- 11
- Nockenwelle
- 12
- Triebwelle
- 13
- Drehachse
- 14
- Nockenelement
- 15
- Nocken
- 16
- Teilnocken
- 17
- Teilnocken
- 18
- Teilnocken
- 19
- Nocken
- 20
- Teilnocken
- 21
- Teilnocken
- 22
- Teilnocken
- 23
- Verzahnung
- 24
- Verzahnung
- 25
- Schalteinheit
- 26
- Schaltelement
- 27
- Drehachse
- 28
- Verzahnung
- 29
- Aktuator
- 30
- Schaltelement
- 31
- Drehachse
- 32
- Verzahnung
- 33
- Aktuator
