DE102017101792A1

DE102017101792A1 - Variabler Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors

Info

Publication number: DE102017101792A1
Application number: DE102017101792.5A
Authority: DE
Inventors: Harald Elendt; Dimitri Schott
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2037-02-01
Also published as: EP3577323B1; CN110023594B; US20190376420A1; CN110023594A; DE102017101792B4; WO2018141332A1; US10767517B2; EP3577323A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb (1) eines Verbrennungsmotors mit mindestens einem funktionsgleichen Gaswechselventil pro Zylinder, dessen Ventilhub durch mindestens einen Primärnocken (7) und einen Sekundärnocken (8) einer Nockenwelle (6) vorgegeben sowie mittels eines schaltbaren Schlepphebels (10), der einen Primärhebel (14) und einen Sekundärhebel (19) aufweist, selektiv auf mindestens ein zugeordnetes Gaswechselventil übertragbar ist. Der Primärhebel (14) ist mit endseitig an einem Abstützelement (12) sowie mit seinem anderen Ende an dem Ventilschaft des Gaswechselventils abgestützt. Zudem ist der Primärhebel (14) zwischen seinen beiden Enden mit einem Primärnocken (7) in Abgriffkontakt, während der Sekundärhebel (19) schwenkbar am Primärhebel (14) gelagert ist, mit einem Sekundärnocken (8) in Abgriffkontakt ist, und mittels eines durch eine Stellvorrichtung (30) verstellbaren Koppelelements (17) mit dem Primärhebel (14) koppelbar ist. Die Koppelelemente (17) der schaltbaren Schlepphebel (10) sind jeweils als ein axialbeweglich in einer Querbohrung (16) des Primärhebels (14) geführter Koppelbolzen ausgebildet, der mittels eines in einer Querbohrung (24) des Sekundärhebels (19) axialbeweglichen Schaltbolzen (25) gegen die Rückstellkraft eines Federelements (18) in eine gegenüberliegende Koppelbohrung (28) des Sekundärhebels verschiebbar ist. Jeder Schaltbolzen ragt mit seinem äußeren Ende (26) aus dem Sekundärhebel heraus und ist an diesem über ein Verbindungselement (29) mit einer Schaltstange (34) verbunden, die parallel zur Nockenwelle (6) angeordnet sowie mittels eines Linearaktuators (31) längsverschiebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors mit mindestens einem funktionsgleichen Gaswechselventil pro Zylinder, dessen Ventilhub jeweils durch mindestens einen Primärnocken und einen Sekundärnocken einer Nockenwelle vorgegeben sowie mittels eines schaltbaren Schlepphebels, der einen Primärhebel und einen Sekundärhebel aufweist, selektiv auf mindestens ein zugeordnetes Gaswechselventil übertragbar ist, wobei der jeweilige Primärhebel mit seinem einen Ende an einem zugeordneten, gehäuseseitig gelagerten Abstützelement sowie mit seinem anderen Ende an dem Ventilschaft des zugeordneten Gaswechselventils abgestützt ist, wobei dem der jeweilige Primärhebel zwischen seinen beiden Enden mit dem zugeordneten Primärnocken in Abgriffkontakt ist, und bei dem der Sekundärhebel jeweils schwenkbar an dem Primärhebel gelagert ist, mit dem zugeordneten Sekundärnocken in Abgriffkontakt ist, und mittels eines durch eine Stellvorrichtung verstellbaren Koppelelements mit dem Primärhebel koppelbar ist.
Schaltbare Ventiltriebe von Verbrennungskolbenmotoren sind in unterschiedlichen Bauarten bekannt. So können Ventiltriebe einzelner Zylinder oder Gruppen von Zylindern eines Verbrennungskolbenmotors durch eine Abschaltung des übertragbaren Ventilhubs deaktiviert und damit in Verbindung mit einer Abschaltung der Kraftstoffeinspritzung für die betreffenden Zylinder der Kraftstoffverbrauch sowie die CO₂- und Schadstoffemissionen des Verbrennungskolbenmotors im Teillastbetrieb gesenkt werden. Andererseits können die durch Ventiltriebe von Einlass- und/oder Auslassventilen eines Verbrennungskolbenmotors übertragbaren zeitlichen Hubverläufe durch eine Hubumschaltung geändert und damit in Abhängigkeit von Betriebsparametern, wie der Motordrehzahl und der Motorlast, an den aktuellen Betriebszustand des Verbrennungskolbenmotors angepasst werden, wodurch die Motorleistung und das Drehmoment erhöht sowie der spezifische Kraftstoffverbrauch des Verbrennungskolbenmotors verringert werden können.
Bei abschaltbaren Ventiltrieben sind üblicherweise jeweils zwei relativ zueinander verschiebbare oder verdrehbare Bauteile eines schaltbaren Hubübertragungselementes vorgesehen, von denen das eine Bauteil mit dem zugeordneten Nocken einer Nockenwelle und das andere Bauteil mit dem Ventilschaft des zugeordneten Gaswechselventils in Stellverbindung steht. Beide Bauteile sind über ein zumeist als Koppelbolzen ausgeführtes Koppelelement miteinander koppelbar oder entkoppelbar. Im gekoppelten Zustand wird der Ventilhub des zugeordneten Nockens auf das betreffende Gaswechselventil übertragen, im entkoppelten Zustand dagegen nicht, so dass das Gaswechselventil dann geschlossen bleibt. Der Koppelbolzen ist üblicherweise axialbeweglich in einer Bohrung des einen Bauteils geführt und in eine Koppelbohrung des anderen Bauteils verschiebbar. Mittels eines Federelementes wird der Koppelbolzen in einer Ruhestellung gehalten und durch die Beaufschlagung mit einer Stellkraft gegen die Rückstellkraft des Federelementes in eine Betätigungsstellung verschoben und dort festgehalten. Bei abschaltbaren Ventiltrieben entspricht die Ruhestellung des Koppelbolzens üblicherweise dem gekoppelten Zustand der Bauteile des Hubübertragungselementes und die Betätigungsstellung dem entkoppelten Zustand der Bauteile. Bei den abschaltbaren Hubübertragungselementen kann es sich um abschaltbare Tassenstößel, Rollenstößel, Kipphebel, Schlepphebel oder Abstützelemente handeln.
Bei umschaltbaren Ventiltrieben sind jeweils mindestens zwei relativ zueinander verschiebbare oder verdrehbare Bauteile eines schaltbaren Hubübertragungselementes vorgesehen, von denen das eine Bauteil mit einem zugeordneten Primärnocken einer Nockenwelle mit einem bestimmten Ventilhub sowie mit dem Ventilschaft des zugeordneten Gaswechselventils gekoppelt ist, und das andere Bauteil mit einem zugeordneten Sekundärnocken der Nockenwelle mit einem größerem Ventilhub oder mit einem Zusatzhub in Stellverbindung ist. Beide Bauteile sind über ein meistens als Koppelbolzen ausgeführtes Koppelelement miteinander koppelbar oder entkoppelbar. Im entkoppelten Zustand wird der Ventilhub des Primärnockens auf das betreffende Gaswechselventil übertragen, im gekoppelten Zustand wird dagegen der Ventilhub des Sekundärnockens auf das Gaswechselventil übertragen. Auch hier ist der Koppelbolzen üblicherweise axialbeweglich in einer Bohrung des einen Bauteils geführt und in eine Koppelbohrung des anderen Bauteils verschiebbar. Mittels eines Federelementes wird der Koppelbolzen in einer Ruhestellung gehalten sowie durch eine Beaufschlagung mit einer Stellkraft gegen die Rückstellkraft des Federelementes in eine Betätigungsstellung verschoben und dort festgehalten. Bei umschaltbaren Ventiltrieben entspricht die Ruhestellung des Koppelbolzens meistens dem entkoppelten Zustand der Bauteile des Hubübertragungselementes und die Betätigungsstellung dem gekoppelten Zustand der Bauteile. Bei solchen umschaltbaren Hubübertragungselementen handelt es sich beispielsweise um umschaltbare Tassenstößel, umschaltbare Kipphebel oder umschaltbare Schlepphebel.
Die Verstellung von Koppelelementen schaltbarer Hubübertragungselemente erfolgt üblicherweise hydraulisch, indem eine zu Druckräumen der Koppelelemente führende Schaltdruckleitung zum Beispiel über ein Magnetschaltventil wechselweise mit einer Öldruckquelle verbunden oder drucklos geschaltet wird. Eine bekannte Ausführung eines mit einem hydraulisch verstellbaren Koppelbolzen versehenen schaltbaren Schlepphebels, der in einem Verbrennungskolbenmotor zur Hubabschaltung eines Gaswechselventils vorgesehen ist, offenbart die DE 10 2006 057 894 A1 . Dagegen ist in der DE 10 2006 023 772 A1 ein schaltbarer Schlepphebel mit einem hydraulisch verstellbaren Koppelbolzen beschrieben, der in einem Verbrennungskolbenmotor zur Hubumschaltung eines Gaswechselventils vorgesehen ist.
Sollen Gaswechselventile eines Verbrennungskolbenmotors gruppenweise selektiv abgeschaltet oder umgeschaltet werden, so sind bei einer hydraulischen Verstellung der Koppelelemente getrennte Schaltdruckleitungen mit jeweils einem zugeordneten Schaltventil erforderlich. Eine entsprechende hydraulische Stellvorrichtung zur gruppenweise selektiven Verstellung der Koppelelemente eines variablen Ventiltriebs bei einem Verbrennungskolbenmotor mit zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen pro Zylinder ist beispielsweise in der DE 102 12 327 A1 beschrieben. Die schaltbaren Hubübertragungselemente dieses Ventiltriebs sind in diesem Fall als schaltbare Tassenstößel ausgebildet.
Die Verstellung von Koppelelementen schaltbarer Hubübertragungselemente kann jedoch auch elektromagnetisch erfolgen, indem die Koppelelemente jeweils mit einem Elektromagneten in Wirkverbindung stehen, und die Elektromagnete wechselweise bestromt oder stromlos geschaltet werden. Eine bekannte Ausführung eines mit einem elektromagnetisch verstellbaren Koppelbolzen versehenen schaltbaren Schlepphebels, der in einem Verbrennungskolbenmotor zur Hubabschaltung eines Gaswechselventils vorgesehen ist, kann der US 5 544 626 A entnommen werden. Der Koppelbolzen und der Elektromagnet, dessen Anker mit dem Koppelbolzen verbunden ist, sind längsgerichtet in dem Primärgehäuse des Schlepphebels angeordnet, wodurch sich eine größere Baulänge der Schlepphebel und eine entsprechend größere Breite des betreffenden Zylinderkopfes ergibt.
Dagegen ist in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2016 220 859.4 ein Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors mit elektromagnetisch schaltbaren Schlepphebeln beschrieben, der in einem Verbrennungskolbenmotor zur Hubumschaltung der betreffenden Gaswechselventile vorgesehen ist. Die Koppelbolzen sind jeweils längsgerichtet in dem jeweiligen Primärhebel der Schlepphebel angeordnet und jeweils mit einer Rampenfläche einer Ankerstange eines zugeordneten Elektromagneten in Kontakt bringbar sowie axial in eine Koppelstellung verschiebbar. Die Elektromagneten sind mit weitgehend vertikaler Ausrichtung oberhalb der Schlepphebel und der zugeordneten Nockenwelle auf einer an dem betreffenden Zylinderkopf befestigten Trägerplatte angeordnet, wodurch sich eine größere Bauhöhe des Zylinderkopfes ergibt.
Da die Anordnung separater hydraulischer Schaltdruckleitungen oder elektrischer Schaltleitungen in einem Zylinderkopf eines Verbrennungskolbenmotors aufgrund beengter Platzverhältnisse relativ schwierig und aufwendig ist, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen variablen Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors der eingangs genannten Bauart mit schaltbaren Schlepphebeln funktionsgleicher Gaswechselventile vorzuschlagen, die mittels einer Platz sparenden Stellvorrichtung umschaltbar sind.
Diese Aufgabe ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das jeweilige Koppelelement der schaltbaren Schlepphebel jeweils als ein axialbeweglich in einer Querbohrung des Primärhebels geführter Koppelbolzen ausgebildet sind, dass das Koppelelement mittels eines in einer Querbohrung des Sekundärhebels axialbeweglich gelagerten Schaltbolzen gegen die Rückstellkraft eines Federelementes in eine gegenüberliegende Koppelbohrung des Sekundärhebels verschiebbar ist, dass der jeweilige Schaltbolzen mit seinem axial äußeren Ende aus dem Sekundärhebel herausragt, dass dieses axial äußere Ende des Schaltbolzens mit einem stabförmigen Verbindungselement verbunden ist, welches seinerseits mit einer Schaltstange in Stellverbindung gekoppelt ist, dass die Schaltstange oberhalb des jeweiligen Schlepphebels parallel zu der zugeordneten Nockenwelle angeordnet ist, und dass die Schaltstange mittels eines Linearaktuators gegen die Rückstellkraft eines Federelementes aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht demnach aus von einem an sich bekannten variablen Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors aus, der mindestens ein funktionsgleiches Gaswechselventil pro Zylinder aufweist. Bei den funktionsgleichen Gaswechselventilen kann es sich um Einlassventile oder Auslassventile handeln. Der Ventilhub dieser funktionsgleichen Gaswechselventile ist jeweils durch mindestens einen Primärnocken und einen Sekundärnocken einer Nockenwelle vorgegeben sowie mittels eines schaltbaren Schlepphebels, der einen Primärhebel und einen Sekundärhebel aufweist, selektiv auf mindestens ein zugeordnetes Gaswechselventil übertragbar. Der Primärhebel ist jeweils endseitig an einem gehäuseseitig gelagerten Abstützelement und gegenüberliegend an dem Ventilschaft des zugeordneten Gaswechselventils abgestützt, und er ist dazwischen, zum Beispiel über eine drehbar gelagerte Rolle, mit dem zugeordneten Primärnocken in Abgriffkontakt. Der Sekundärhebel ist jeweils schwenkbar an dem Primärhebel gelagert, er steht zum Beispiel über mindestens eine Gleitfläche mit dem zugeordneten Sekundärnocken in Abgriffkontakt, und er ist mittels eines durch eine Stellvorrichtung verstellbaren Koppelelements mit dem Primärhebel koppelbar. Im gekoppelten Zustand des Schlepphebels wird der Hubverlauf des Sekundärnockens, der üblicherweise eine größere Hubhöhe als der Primärnocken aufweist oder einen Zusatzhub ausübt, auf das zugeordnete Gaswechselventil übertragen. Bei dem Zusatzhub kann es sich zum Beispiel um einen Nachhub zur Abgasrückführung oder um einen Dekompressionshub im Arbeitstakt zur Erhöhung der Motorbremswirkung handeln.
dass das jeweilige Koppelelement der schaltbaren Schlepphebel jeweils als ein axialbeweglich in einer Querbohrung des Primärhebels geführter Koppelbolzen ausgebildet sind, dass das Koppelelement mittels eines in einer Querbohrung des Sekundärhebels axialbeweglich gelagerten Schaltbolzen gegen die Rückstellkraft eines Federelementes in eine gegenüberliegende Koppelbohrung des Sekundärhebels verschiebbar ist, dass der jeweilige Schaltbolzen mit seinem axial äußeren Ende aus dem Sekundärhebel herausragt, dass dieses axial äußere Ende des Schaltbolzens mit einem stabförmigen Verbindungselement verbunden ist, welches seinerseits mit einer Schaltstange in Stellverbindung gekoppelt ist, dass die Schaltstange oberhalb des jeweiligen Schlepphebels parallel zu der zugeordneten Nockenwelle angeordnet ist, und dass die Schaltstange mittels eines Linearaktuators gegen die Rückstellkraft eines Federelementes aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar ist.
Um alternativ zu einer hydraulischen Umschaltung der Schlepphebel mit separaten, zu den Schlepphebeln geführten Schaltdruckleitungen oder einer elektromagnetischen Umschaltung der Schlepphebel mit separaten, zu den innerhalb oder außerhalb der Schlepphebel angeordneten Elektromagneten geführten elektrischen Schaltleitungen eine Umschaltung der Schlepphebel der funktionsgleichen Gaswechselventile zu ermöglichen, sind die Koppelelemente der schaltbaren Schlepphebel jeweils als ein axialbeweglich in einer Querbohrung des Primärhebels geführter Koppelbolzen ausgebildet, der mittels eines in einer Querbohrung des Sekundärhebels axialbeweglich gelagerten Schaltbolzen gegen die Rückstellkraft eines Federelementes in eine gegenüberliegende Koppelbohrung des Sekundärhebels verschiebbar ist. Die Querbohrungen in den Primärhebeln und den Sekundärhebeln der Schlepphebel sowie die darin geführten Koppel- und Schaltbolzen sind somit parallel zu der zugeordneten Nockenwelle ausgerichtet. Jeder Schaltbolzen ragt mit seinem axial äußeren Ende aus dem Sekundärhebel heraus und ist an diesem über ein nach oben gerichtetes stabförmiges Verbindungselement mit einer Schaltstange in Stellverbindung, welche oberhalb der Schlepphebel parallel zu der zugeordneten Nockenwelle angeordnet sowie über einen Linearaktuator gegen die Rückstellkraft eines Federelementes aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar ist.
Die Stellvorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung weist somit nur einen einzigen Aktuator auf, mittels dem die betreffenden schaltbaren Schlepphebel von der Ruhestellung, in welcher der Sekundärhebel von dem Primärhebel entkoppelt ist, in die Schaltstellung, in welcher der Sekundärhebel mit dem Primärhebel gekoppelt ist, umschaltbar sind. Der Linearaktuator kann in Längsrichtung der Schaltstange an einer geeigneten Stelle an dem Zylinderkopf angeordnet und befestigt werden, an der der erforderliche Bauraum dafür zur Verfügung steht, und zu der die zur Betätigung erforderliche Energiezufuhr günstig realisierbar ist. Im Vergleich zu einer Stellanordnung mit separaten hydraulischen oder elektromagnetischen Aktuatoren, die innerhalb oder außerhalb der schaltbaren Schlepphebel angeordnet sein können, ist die erfindungsgemäße Stellvorrichtung mit den rein mechanisch schaltbaren Schlepphebeln deutlich einfacher und Platz sparender aufgebaut sowie kostengünstiger herstellbar. Am Zylinderkopf eines Verbrennungskolbenmotors können auch mehrere derartiger Stellvorrichtungen angeordnet werden, um mehrere Gruppen funktionsgleicher Gaswechselventile, wie Einlassventile und/oder Auslassventile aller oder nur bestimmter Zylinder beziehungsweise bei einem Vierventilzylinderkopf von ersten und zweiten Einlass- und/oder Auslassventilen selektiv umschalten zu können.
Der Linearaktuator ist bevorzugt als ein Elektromagnet mit einem in einem Spulenkörper axialbeweglich geführten Anker ausgebildet, dessen Anker starr mit der Schaltstange verbunden ist. Für die Ansteuerung und die Energieversorgung des Linearaktuators ist dann nur ein zweiadriges Kabel erforderlich, das von einem elektronischen Steuergerät an die Spule des Elektromagneten geführt ist.
Der Linearaktuator kann jedoch auch als ein einfachwirkender hydraulischer oder pneumatischer Stellzylinder mit einem in einem Zylinder axialbeweglich geführten Kolben ausgebildet sein, dessen Kolben starr mit der Schaltstange verbunden ist. Für die Ansteuerung und die Energieversorgung des Linearaktuators ist bei dieser Ausführung eine an den Druckraum des Stellzylinders angeschlossene Stelldruckleitung erforderlich, die zum Beispiel über ein an ein elektronisches Steuergerät angeschlossenes 3/2-Wege-Magnetschaltventil wechselweise mit einer an eine Druckmittelquelle angeschlossenen Druckversorgungsleitung oder mit einer drucklosen Rückfluss- oder Entlüftungsleitung verbindbar ist.
Die Schaltstange ist bevorzugt als ein Flachstab ausgebildet, der mit seinen breiteren Außenwänden rechtwinklig zu den Schaltbolzen der schaltbaren Schlepphebel angeordnet ist. Durch die breiteren Außenwände weist die Schaltstange genügend Bauraum zur mechanischen Ankopplung der stabförmigen Verbindungselemente der schaltbaren Schlepphebel auf.
Zudem besteht dadurch die Möglichkeit, die Schaltstange einfach und kostengünstig als ein Stanzbauteil aus einem Stahlblech oder einem Leichtmetallblech herzustellen.
Die Verbindungselemente der schaltbaren Schlepphebel sind vorzugsweise als Blattfedern ausgebildet, die jeweils weitgehend starr an dem äußeren Ende des zugeordneten Schaltbolzens befestigt sind und jeweils in eine schlitzförmige Öffnung in der Schaltstange eingreifen. Somit kann die Umschaltung der Schlepphebel durch die Axialverschiebung der Schaltstange jederzeit und unabhängig von der aktuellen Drehposition der zugeordneten Nockenwelle eingeleitet werden. An denjenigen Schlepphebeln, deren Primär- und Sekundärnocken gerade von den Primär- und Sekundärhebeln im Grundkreisradius abgegriffen werden, erfolgt die Umschaltung der Schlepphebel sofort. An denjenigen Schlepphebeln, deren Primär- und Sekundärnocken gerade außerhalb des Grundkreisradius abgegriffen werden, werden die betreffenden Blattfedern in Schaltrichtung vorgespannt, und die Umschaltung der betreffenden Schlepphebel erfolgt dann, wenn die zugeordneten Nocken aufgrund einer entsprechenden Drehung der Nockenwelle im Grundkreisradius abgegriffen werden.
Um eine einfache Montage zu gewährleisten, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Blattfedern nach Art einer Sicherungsscheibe jeweils durch Aufstecken und Eingriff einer endseitig offenen Bohrung in eine an dem axial äußeren Ende des jeweiligen Schaltbolzens angeordnete Ringnut an dem Schaltbolzen befestigt sind.
Zum Ausgleich der Kippbewegungen der Schlepphebel und von Fertigungstoleranzen sind die Quer- und Längsabmessungen der Öffnungen in der Schaltstange bevorzugt größer als die Breite und die Dicke der Blattfedern. Die Blattfedern können sich somit beim Betrieb des Verbrennungskolbenmotors verschleißarm in den Öffnungen der Schaltstange bewegen. Fertigungstoleranzen bei der Anordnung der Öffnungen in der Schaltstange und der gesamten Schaltstange können dadurch auf einfache Weise durch einen vergrößerten Stellweg des Linearaktuators ausgeglichen werden. Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung stellt somit relativ geringe Anforderungen an die Genauigkeit bei der Fertigung sowie Anordnung der Bauteile und ist daher besonders kostengünstig herstellbar.
Die Schaltstange ist vorteilhaft an ihrer von den Schlepphebeln abgewandten breiteren Außenwand an jeder Öffnung schaltrichtungsseitig mit einem bogenförmigen Federclip versehen, dessen freies Ende zur elastischen Abstützung der zugeordneten Blattfeder in Längsrichtung in die betreffende Öffnung hineinragt. Hierdurch werden die Blattfedern in den Öffnungen der Schaltstange elastisch sowie längsverschiebbar abgestützt, wodurch der mechanische Verschleiß an den Kontaktflächen reduziert und die Übertragung von Querkräften auf die Schaltbolzen der Schlepphebel vermieden wird.
Um ein Auswandern oder Ausknicken der Schaltstange unter Belastung zu vermeiden, ist die Schaltstange vorzugsweise in mehreren gehäusefesten Führungsöffnungen des Zylinderkopfes axialbeweglich geführt.
Zumindest einige dieser Führungsöffnungen der Schaltstange sind bevorzugt in Lagerdeckeln der zugeordneten Nockenwelle angeordnet, wodurch deren Herstellung gegenüber einer Anordnung in gehäusefesten Stegen des Zylinderkopfes stark vereinfacht ist.
Zur Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung mit einem Ausführungsbeispiel beigefügt. In dieser zeigt

1 eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs eines Verbrennungskolbenmotors mit drei Zylindern und vier Gaswechselventilen pro Zylinder mit drei schaltbaren Schlepphebeln im nicht umgeschalteten Zustand in einer perspektivischen Übersichtsdarstellung,
1a einen Ausschnitt aus dem Ventiltrieb gemäß 1 mit einer Längsansicht eines schaltbaren Schlepphebels im nicht umgeschalteten Zustand,
1b einen Ausschnitt des Ventiltriebs gemäß 1 mit einer Querschnittsansicht eines schaltbaren Schlepphebels im nicht umgeschalteten Zustand,
1c einen Ausschnitt des Ventiltriebs gemäß 1 mit einer Längsschnittansicht eines schaltbaren Schlepphebels im nicht umgeschalteten Zustand,
2 den erfindungsgemäßen Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors gemäß 1 mit den drei schaltbaren Schlepphebeln im umgeschalteten Zustand in einer perspektivischen Übersichtsdarstellung,
2a einen Ausschnitt des Ventiltriebs gemäß 2 mit einer Längsansicht eines schaltbaren Schlepphebels im umgeschalteten Zustand,
2b einen Ausschnitt des Ventiltriebs gemäß 2 mit einer Querschnittsansicht eines schaltbaren Schlepphebels im umgeschalteten Zustand,
2c einen Ausschnitt des Ventiltriebs gemäß 2 mit einer Längsschnittansicht eines schaltbaren Schlepphebels im umgeschalteten Zustand,
3a einen schaltbaren Schlepphebel des Ventiltriebs gemäß den 1 bis 2b in einer Seitenansicht, und
3b den schaltbaren Schlepphebel des Ventiltriebs gemäß den 1 bis 2b in einer perspektivischen Schrägansicht von oben.

In der perspektivischen Übersichtsdarstellung von 1 ist ein Ventiltrieb 1 eines Verbrennungskolbenmotors mit drei in Reihe angeordneten Zylindern sowie zwei Einlassventilen und zwei Auslassventilen pro Zylinder teilweise abgebildet, jedoch nur soweit es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist. Ein Nockenwellenträger 2 eines zweiteiligen Zylinderkopfes des Verbrennungskolbenmotors weist vier halbkreisförmige erste Gleitlagerabschnitte 3 zur Lagerung einer nicht abgebildeten Einlassnockenwelle sowie vier halbkreisförmige zweite Gleitlagerabschnitte 4 zur Lagerung einer Auslassnockenwelle 6 auf. Die restlichen Gleitlagerabschnitte zur Lagerung der Einlassnockenwelle und der Auslassnockenwelle 5 sind jeweils Bestandteil von Lagerdeckeln 5, die nach dem Einsetzen der Nockenwellen auf den Nockenwellenträger 2 aufgesetzt und mit diesem verschraubt werden. In 1 sind nur die Lagerdeckel 5 der Auslassnockenwelle 6 abgebildet.
Während die nicht abgebildeten ersten Auslassventile jedes Zylinders über zugeordnete schaltbare Schlepphebel 10 hinsichtlich ihres übertragbaren Hubverlaufs umschaltbar sind, sind den ebenfalls nicht abgebildeten zweiten Auslassventilen jedes Zylinders nicht-schaltbare Schlepphebel 11 für eine konstante Hubübertragung zugeordnet. Hierzu weist die Auslassnockenwelle 6 für die ersten Auslassventile jeweils einen mittig angeordneten Primärnocken 7 und zwei beidseitig des Primärnockens 7 angeordnete Sekundärnocken 8 auf. Für die zweiten Auslassventile weist die Auslassnockenwelle 6 dagegen jeweils nur einen einzigen Nocken 9 auf.
Die nicht näher dargestellten nicht-schaltbaren Schlepphebel 11 sind jeweils auf ihrer Unterseite endseitig an einem gehäuseseitig gelagerten Abstützelement 13 mit integriertem hydraulischen Ventilspielausgleichselement (HVA) und an ihrem anderen Ende an dem Ventilschaft des zugeordneten zweiten Auslassventils abgestützt. Zudem stehen sie zwischen diesen beiden Enden auf ihrer Oberseite jeweils mit dem zugeordneten Nocken 9 in Abgriffkontakt. Bei einer Drehung der Auslassnockenwelle 6 wird somit über die nicht-schaltbaren Schlepphebel 11 der Hubverlauf der betreffenden Nocken 9 auf die zweiten Auslassventile übertragen.
Wie in den Längs, Querschnitts- und Längsschnittansichten von 1a bis 1c sowie in der Seitenansicht von 3a und in der perspektivischen Schrägansicht von 3b erkennbar ist, weisen die schaltbaren Schlepphebel 10 jeweils einen Primärhebel 14 und einen Sekundärhebel 19 auf. Der Primärhebel 14 ist weitgehend rahmenförmig ausgebildet und auf seiner Unterseite endseitig an einem gehäuseseitig gelagerten Abstützelement 12 mit integriertem hydraulischem Ventilspielausgleichselement (HVA) und an deren anderen Ende an dem Ventilschaft des zugeordneten ersten Auslassventils abgestützt.
Auf seiner Oberseite ist der Primärhebel 14 über ein Abgriffelement 15, das vorliegend als eine drehbar gelagerte Rolle ausgebildet ist, mit einem zugeordneten Primärnocken 7 in Abgriffkontakt. Der Sekundärhebel 19 weist eine den Primärhebel 14 umgreifende rahmenförmige Gestalt auf, und er ist über einen ventilseitig angeordneten Gelenkbolzen 20 schwenkbar an dem Primärhebel 14 gelagert. Wie insbesondere die 3a und 3b zeigen, weist der Sekundärhebel 19 als Abgriffelemente 22 beidseitig zu seiner Längserstreckung jeweils einen verbreiterten Stegabschnitt mit jeweils einer äußeren Gleitfläche 23 auf, die aufgrund der Federkraft einer als Schenkelfeder ausgebildeten Anpressfeder 21 in Abgriffkontakt mit den zugeordneten Sekundärnocken 8 stehen.
Als Koppelelement 17 zur formschlüssigen Verbindung des Sekundärhebels 19 mit dem Primärhebel 14 ist ein axialbeweglich in einer Querbohrung 16 des Primärhebels 14 geführter Koppelbolzen vorgesehen, der über einen in einer Querbohrung 24 des Sekundärhebels 19 axialbeweglich gelagerten Schaltbolzen 25 gegen die Rückstellkraft eines als Schraubenfeder ausgebildeten Federelementes 18 in eine gegenüberliegende Koppelbohrung 28 des Sekundärhebels 19 verschiebbar ist. Der Schaltbolzen 25 ragt mit seinem äußeren axialen Ende 26 aus dem Sekundärhebel 19 heraus und steht an diesem über ein nach oben gerichtetes stabförmiges Verbindungselement 29 mit einer Schaltstange 34 einer Stellvorrichtung 30 in Stellverbindung.
Die Verbindungselemente 29 der schaltbaren Schlepphebel 10 sind vorliegend als Blattfedern ausgebildet und nach Art einer Sicherungsscheibe jeweils durch Aufstecken auf den zugeordneten Schaltbolzen 25 und Einsetzen von deren endseitig offenen Bohrung in eine am axialen Ende 26 des Schaltbolzens 25 ausgebildete Ringnut an diesem befestigt.
Zur Begrenzung des Stellweges des jeweiligen Schaltbolzens 25 nach außen und zum Schutz der Verbindung der Schaltbolzen 25 mit der jeweiligen Blattfeder 29 weisen die Sekundärhebel 19 jeweils einen insbesondere in 3b gut erkennbaren Bügel 27 auf, der das äußere Ende 26 des zugeordneten Schaltbolzens 25 umfasst.
Die Schaltstange 34 der Stellvorrichtung 30 ist oberhalb der Schlepphebel 10, 11 parallel zu der Auslassnockenwelle 6 angeordnet und über einen Linearaktuator 31 gegen die Rückstellkraft eines Federelementes 42 aus einer Ruhestellung 39 in eine Schaltstellung 41 längsverschiebbar. Der Linearaktuator 31 ist vorliegend beispielhaft als ein Elektromagnet mit einem in einem Spulenkörper 32 axialbeweglich geführten Anker 33 ausgebildet, wobei der Anker 33 starr mit der Schaltstange 34 verbunden ist.
Die Schaltstange 34 ist vorliegend als ein Flachstab ausgebildet, der mit seinen breiteren Außenwänden 35 rechtwinklig zu den Schaltbolzen 25 der schaltbaren Schlepphebel 10 angeordnet ist, und der bevorzugt als ein Stanzbauteil aus einem Stahlblech oder Leichtmetallblech hergestellt ist. Die Schaltstange 34 ist in mehreren gehäusefesten Führungsöffnungen 38 des Nockenwellenträgers 2 axialbeweglich geführt, die vorliegend in den Lagerdeckeln 5 der Auslassnockenwelle 6 angeordnet sind.
Die als Blattfedern ausgebildeten Verbindungselemente 29 der schaltbaren Schlepphebel 10 greifen jeweils spielbehaftet in eine schlitzförmige Öffnung 36 der Schaltstange 34 ein, deren Quer- und Längsabmessungen größer sind als die Breite und die Dicke dieser Verbindungselemente 29. Hierdurch können sich die Verbindungselemente 29 beim Betrieb des Verbrennungskolbenmotors verschleißarm in den Öffnungen 36 der Schaltstange 34 bewegen. Zudem können dadurch Fertigungstoleranzen bei der Anordnung der Öffnungen 36 in der Schaltstange 34 und der gesamten Schaltstange 34 auf einfache Weise durch einen vergrößerten Stellweg des Linearaktuators 31 ausgeglichen werden. An ihrer von den Schlepphebeln 10, 11 abgewandten breiteren Außenwand 35 ist die Schaltstange 34 an jeder Öffnung 36 schaltrichtungsseitig mit einem bogenförmigen Federclip 37 versehen, dessen freies Ende zur elastischen Abstützung der zugeordneten Blattfeder 29 in Längsrichtung in die betreffende Öffnung 36 hineinragt. Hierdurch werden die Blattfedern 29 in den Öffnungen 36 der Schaltstange 34 elastisch und längsverschiebbar abgestützt, wodurch der mechanische Verschleiß an den Kontaktflächen reduziert und die Übertragung von Querkräften auf die Schaltbolzen 25 der schaltbaren Schlepphebel 10 vermieden wird.
In 1 ist die Schaltstange 34 der Stellvorrichtung 30 in ihrer Ruhestellung 39 abgebildet, in der die Sekundärhebel 19 der schaltbaren Schlepphebel 10 von den Primärhebeln 14 entkoppelt sind. Dieser entkoppelte Schaltzustand eines schaltbaren Schlepphebels 10, bei dem sich der Koppelbolzen 17 vollständig innerhalb der Querbohrung 16 des Primärhebels 14 befindet, ist besonders gut in der Querschnittsansicht von 1b erkennbar. Im entkoppelten Zustand des Primärhebels 14 und des Sekundärhebels 19 wird bei einer Drehung der Auslassnockenwelle 6 nur der Hubverlauf des betreffenden Primärnockens 7 über den Primärhebel 14 des schaltbaren Schlepphebels 10 auf das zugeordnete erste Auslassventil übertragen. Der Hubverlauf der betreffenden Sekundärnocken 8 sorgt dann nur für ein Einfedern des Sekundärhebels 19 in Bezug zum Primärhebel 14. Dies ist gut in der Längsschnittansicht von 1c erkennbar, in welcher der Primärnocken 7 der Auslassnockenwelle 6 von der Rolle 15 des Primärhebels 14 gerade im Grundkreisradius und die Sekundärnocken 8 der Auslassnockenwelle 6 von den Gleitflächen 23 der Stegabschnitte 22 des Sekundärhebels 19 gerade im Bereich eines Zusatzhubnockens abgegriffen werden.
In der perspektivischen Übersichtsdarstellung von 2 ist die Schaltstange 34 der Stellvorrichtung 30 in ihrer Schaltstellung 41 abgebildet, in die sie durch eine Betätigung des Linearaktuators 31 in der durch einen Richtungspfeil 40 angegebenen Schaltrichtung verschoben ist. In der Schaltstellung 41 der Schaltstange 34 werden die Koppelbolzen 17 derjenigen Schlepphebel 10, deren Primär- und Sekundärnocken 7, 8 von der Rolle 15 des Primärhebels 14 und den Gleitflächen 23 der Stegabschnitte 22 des Sekundärhebels 19 gerade im Grundkreisradius abgegriffen werden, über die jeweilige Blattfeder 29 und den betreffenden Schaltbolzen 25 sofort in die zugeordnete Koppelbohrung 28 des Sekundärhebels 19 verschoben, da die Querbohrung 24 und die Koppelbohrung 28 des Sekundärhebels 19 dann mit der Querbohrung 16 des Primärhebels 14 fluchtet. Die Sekundärhebel 19 der betreffenden Schlepphebel 10 sind dann mit dem betreffenden Primärhebel 14 gekoppelt (siehe 2b).
Bei denjenigen Schlepphebeln 10, deren Primär- oder Sekundärnocken 7, 8 von der Rolle 15 des Primärhebels 14 oder den Gleitflächen 23 der Stegabschnitte 22 des Sekundärhebels 19 gerade außerhalb des Grundkreisradius abgegriffen werden, erfolgt über die Blattfedern 29 zunächst nur eine Vorspannung der Schaltbolzen 25 in Schaltrichtung 40. Die betreffenden Koppelbolzen 17 werden dann über die jeweilige Blattfeder 29 und den Schaltbolzen 25 in die Koppelbohrung 28 des Sekundärhebels 19 verschoben, sobald deren zugeordnete Primär- und Sekundärnocken 7, 8 im Grundkreisradius abgegriffen werden.
Dieser auch in der Längsansicht von 2a dargestellte gekoppelte Schaltzustand eines schaltbaren Schlepphebels 10, in dem sich der Koppelbolzen 17 innerhalb der Koppelbohrung 28 des Sekundärhebels 19 befindet, ist besonders gut in der Querschnittsansicht von 2b erkennbar. Im gekoppelten Zustand des Primärhebels 14 und des Sekundärhebels 19 wird bei einer Drehung der Auslassnockenwelle 6 der jeweils höhere Hubverlauf des betreffenden Primärnockens 7 über den Primärhebel 14 oder der betreffenden Sekundärnocken 8 über den Sekundärhebel 19 und den Primärhebel 14 des schaltbaren Schlepphebels 10 auf das zugeordnete erste Auslassventil übertragen. Dies ist besonders gut in der Längsschnittansicht von 2c erkennbar, in welcher der Primärnocken 7 der Auslassnockenwelle 6 von der Rolle 15 des Primärhebels 14 gerade im Grundkreisradius und die Sekundärnocken 8 der Auslassnockenwelle 6 von den Gleitflächen 23 der Stegabschnitte 22 des Sekundärhebels 19 gerade im Bereich eines Zusatzhubnockens abgegriffen werden.
Im Vergleich zu einer Stellanordnung mit separaten hydraulischen oder elektromagnetischen Aktuatoren in oder an den Schlepphebeln ist die erfindungsgemäße Stellvorrichtung 30 mit den rein mechanisch schaltbaren Schlepphebeln 10 deutlich einfacher und Platz sparender aufgebaut sowie kostengünstiger herstellbar.
Bezugszeichenliste

1: Ventiltrieb
2: Nockenwellenträger
3: Erster Gleitlagerabschnitt
4: Zweiter Gleitlagerabschnitt
5: Lagerdeckel
6: Auslassnockenwelle
7: Primärnocken
8: Sekundärnocken
9: Nocken
10: schaltbarer Schlepphebel
11: nicht-schaltbarer Schlepphebel
12: Abstützelement
13: Abstützelement
14: Primärhebel
15: Abgriffelement, Rolle
16: Querbohrung
17: Koppelelement, Koppelbolzen
18: Federelement, Schraubenfeder
19: Sekundärhebel
20: Gelenkbolzen
21: Anpressfeder, Schenkelfeder
22: Abgriffelement, Stegabschnitt
23: Gleitfläche
24: Querbohrung
25: Schaltbolzen
26: Äußeres Ende
27: Bügel
28: Koppelbohrung
29: Verbindungselement, Blattfeder
30: Stellvorrichtung
31: Linearaktuator, Elektromagnet
32: Spulenkörper
33: Anker
34: Schaltstange, Flachstab
35: Breitere Außenwand
36: Öffnung
37: Federclip
38: Führungsöffnung
39: Ruhestellung
40: Richtungspfeil, Schaltrichtung
41: Schaltstellung
42: Federelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006057894 A1 [0005]
DE 102006023772 A1 [0005]
DE 10212327 A1 [0006]
US 5544626 A [0007]
DE 102016220859 [0008]

Claims

Variabler Ventiltrieb (1) eines Verbrennungskolbenmotors mit mindestens einem funktionsgleichen Gaswechselventil pro Zylinder, dessen Ventilhub jeweils durch mindestens einen Primärnocken (7) und einen Sekundärnocken (8) einer Nockenwelle (6) vorgegeben sowie mittels eines schaltbaren Schlepphebels (10), der einen Primärhebel (14) und einen Sekundärhebel (19) aufweist, selektiv auf mindestens ein zugeordnetes Gaswechselventil übertragbar ist, wobei der jeweilige Primärhebel (14) mit seinem einen Ende an einem zugeordneten, gehäuseseitig gelagerten Abstützelement (12) sowie mit seinem anderen Ende an dem Ventilschaft des zugeordneten Gaswechselventils abgestützt ist, wobei dem der jeweilige Primärhebel (14) zwischen seinen beiden Enden mit dem zugeordneten Primärnocken (7) in Abgriffkontakt ist, und bei dem der Sekundärhebel (19) jeweils schwenkbar an dem Primärhebel (14) gelagert ist, mit dem zugeordneten Sekundärnocken (8) in Abgriffkontakt ist, und mittels eines durch eine Stellvorrichtung (30) verstellbaren Koppelelements (17) mit dem Primärhebel (14) koppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Koppelelement (17) der schaltbaren Schlepphebel (10) jeweils als ein axialbeweglich in einer Querbohrung (16) des Primärhebels (14) geführter Koppelbolzen ausgebildet sind, dass das Koppelelement (17) mittels eines in einer Querbohrung (24) des Sekundärhebels (19) axialbeweglich gelagerten Schaltbolzen (25) gegen die Rückstellkraft eines Federelementes (18) in eine gegenüberliegende Koppelbohrung (28) des Sekundärhebels (19) verschiebbar ist, dass der jeweilige Schaltbolzen (25) mit seinem axial äußeren Ende (26) aus dem Sekundärhebel (19) herausragt, dass dieses axial äußere Ende (26) des Schaltbolzens (25) mit einem stabförmigen Verbindungselement (29) verbunden ist, welches seinerseits mit einer Schaltstange (34) in Stellverbindung gekoppelt ist, dass die Schaltstange (34) oberhalb des jeweiligen Schlepphebels (10) parallel zu der zugeordneten Nockenwelle (6) angeordnet ist, und dass die Schaltstange (34) mittels eines Linearaktuators (31) gegen die Rückstellkraft eines Federelementes (42) aus einer Ruhestellung (39) in eine Schaltstellung (41) längsverschiebbar ist.
Variabler Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearaktuator (31) als ein Elektromagnet mit einem in einem Spulenkörper (32) axialbeweglich geführten Anker (33) ausgebildet ist, dessen Anker (33) starr mit der Schaltstange (34) verbunden ist.
Variabler Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearaktuator (31) als ein einfachwirkender, hydraulischer oder pneumatischer Stellzylinder mit einem in einem Zylinder axialbeweglich geführten Kolben ausgebildet ist, dessen Kolben starr mit der Schaltstange (34) verbunden ist.
Variabler Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstange (34) als ein Flachstab ausgebildet ist, der mit seinen breiteren Außenwänden (35) rechtwinklig zu den Schaltbolzen (25) der schaltbaren Schlepphebel (10) angeordnet ist.
Variabler Ventiltrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstange (34) als ein Stanzbauteil aus einem Stahlblech oder Leichtmetallblech hergestellt ist.
Variabler Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (29) der schaltbaren Schlepphebel (10) als Blattfedern ausgebildet sind, die jeweils weitgehend starr an dem axial äußeren Ende (26) des zugeordneten Schaltbolzens (25) befestigt sind und jeweils in eine schlitzförmige Öffnung (36) in der Schaltstange (34) eingreifen.
Variabler Ventiltrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfedern (29) nach Art einer Sicherungsscheibe jeweils durch Aufstecken und Eingriff einer endseitig offenen Bohrung in eine an dem axial äußeren Ende (26) des jeweiligen Schaltbolzens (25) angeordnete Ringnut an dem Schaltbolzen (25) befestigt sind.
Variabler Ventiltrieb nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Quer- und Längsabmessungen der Öffnungen (36) in der Schaltstange (34) größer sind als die Breite und die Dicke der Blattfedern (29).
Variabler Ventiltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstange (34) an ihrer von den Schlepphebeln (10) abgewandten, breiteren Außenwand (35) an jeder Öffnung (36) schaltrichtungsseitig mit einem bogenförmigen Federclip (37) versehen ist, dessen freies Ende zur elastischen Abstützung der zugeordneten Blattfeder (29) in Längsrichtung in die betreffende Öffnung (36) hineinragt.
Variabler Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstange (34) in mehreren gehäusefesten Führungsöffnungen (38) des Zylinderkopfes (2) axialbeweglich geführt ist, und dass zumindest einige Führungsöffnungen (38) für die Schaltstange (34) in Lagerdeckeln (5) der zugeordneten Nockenwelle (6) angeordnet sind.