DE102017113362A1

DE102017113362A1 - Ventiltriebsystem mit einem Schaltschlepphebel

Info

Publication number: DE102017113362A1
Application number: DE102017113362.3A
Authority: DE
Inventors: Volker Schmidt; Wolfgang Christgen
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-12-20
Also published as: CN109139168A

Abstract

Ventiltriebsystem mit einem Schaltschlepphebel (1, 1a, 1b), zur Betätigung wenigstens eines Ventils (11, 12) zumindest eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mittels wenigstens eines Primärhebels (2) des Schaltschlepphebels (1), an dem ein mit dem Primärhebel (2) verriegelbarer Sekundärhebel (3) um eine Schwenkachse (4) schwenkbar angeordnet ist, wobei wenigstens einer von diesen Hebeln (2, 3) zumindest eine Nockenanlauffläche (5, 6; 8) zur Anlage an wenigstens einen zugeordneten Nocken einer Nockenwelle aufweist, wobei zwischen dem Primärhebel (2) und dem Sekundärhebel (3) eine steuerbare Sperrvorrichtung (9) angeordnet ist, die einen durch wenigstens einen Schaltsteg (20) an einem parallel zur Nockenwelle angeordneten Steuerelement (19) beaufschlagbaren Sperrstift (10) aufweist, welcher in eine Verriegelungsstellung für eine formschlüssige Verriegelung des Sekundärhebels (3) mit dem Primärhebel (2) bewegbar ist, sofern sich der der zumindest einen Nockenanlauffläche (5, 6; 8) zugeordnete Nocken der Nockenwelle mit seinem Nockengrundkreis im Bereich der zugeordneten Nockenanlauffläche (5, 6; 8) befindet, und bei dem der Sperrstift (10) in eine Entriegelungsstellung zurückbewegbar ist. Zur Betätigung des Sperrstifts ist vorgesehen, dass das wenigstens einen Schaltsteg (20) aufweisende Steuerelement (19) mittels einer Steuereinheit (21) parallel zur Nockenwellendrehachse translatorisch bewegbar ist, um den Sperrstift (10) in seine Verriegelungsstellung oder Entriegelungsstellung zu bewegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventiltriebsystem mit einem Schaltschlepphebel, zur Betätigung wenigstens eines Ventils zumindest eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mittels wenigstens eines Primärhebels des Schaltschlepphebels, an dem ein mit dem Primärhebel verriegelbarer Sekundärhebel um eine Schwenkachse schwenkbar angeordnet ist, wobei wenigstens einer von diesen Hebeln zumindest eine Nockenanlauffläche zur Anlage an wenigstens einen zugeordneten Nocken einer Nockenwelle aufweist, wobei zwischen dem Primärhebel und dem Sekundärhebel eine steuerbare Sperrvorrichtung angeordnet ist, die einen durch wenigstens einen Schaltsteg an einem parallel zur Nockenwelle angeordneten Steuerelement beaufschlagbaren Sperrstift aufweist, welcher in eine Verriegelungsstellung für eine formschlüssige Verriegelung des Sekundärhebels mit dem Primärhebel bewegbar ist, sofern sich der der zumindest einen Nockenanlauffläche zugeordnete Nocken der Nockenwelle mit seinem Nockengrundkreis im Bereich der zugeordneten Nockenanlauffläche befindet, und bei dem der Sperrstift in eine Entriegelungsstellung zurückbewegbar ist.
Ein derartiges Ventiltriebsystem mit zwei parallel angeordneten Schaltschlepphebeln zur Betätigung zweier nebeneinander angeordneter Ventile in wenigstens einem Zylinder einer Brennkraftmaschine ist aus der WO 2015/181 264 A1 bekannt. Zur steuerbaren Betätigung der Sperrvorrichtung ist eine mittels eines Elektroantriebs drehbare Steuerwelle parallel zur Nockenwelle angeordnet. Die Steuerwelle weist Steuernocken auf, um die jeweiligen Sperrstifte in eine Verriegelungsstellung für eine formschlüssige Verriegelung der Sekundärhebel an den Primärhebeln zu bewegen. Diese bekannte Anordnung erfordert eine Drehlagerung der Verriegelungswelle mit Nocken zur Betätigung der Sperrvorrichtung sowie einen Elektroantrieb, um die benötigte Drehbewegung herbeizuführen. Die Lagerung der Verriegelungswelle im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, einschließlich des Elektroantriebs, ist platz- und kostenaufwendig und daher in vielen Fällen nicht zu realisieren.
Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, für die mechanischen Mittel zum Umschalten des Schaltschlepphebels zwischen einer Verriegelungsstellung, in der der Primärhebel und der Sekundärhebel mechanisch miteinander verriegelt sind, und einer Entriegelungsstellung, in der die mechanische Verbindung des Primärhebels mit dem Sekundärhebel aufgehoben ist, das kinematisch und bezüglich Bauraum günstigste Konzept zu verwirklichen sowie möglichst kostengünstig zu gestalten.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Ventiltriebsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildung sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
Demnach betrifft die Erfindung ein Ventiltriebsystem mit einem Schaltschlepphebel, zur Betätigung wenigstens eines Ventils zumindest eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mittels wenigstens eines Primärhebels des Schaltschlepphebels, an dem ein mit dem Primärhebel verriegelbarer Sekundärhebel um eine Schwenkachse schwenkbar angeordnet ist, wobei wenigstens einer von diesen Hebeln zumindest eine Nockenanlauffläche zur Anlage an wenigstens einen zugeordneten Nocken einer Nockenwelle aufweist, wobei zwischen dem Primärhebel und dem Sekundärhebel eine steuerbare Sperrvorrichtung angeordnet ist, die einen durch wenigstens einen Schaltsteg an einem parallel zur Nockenwelle angeordneten Steuerelement beaufschlagbaren Sperrstift aufweist, welcher in eine Verriegelungsstellung für eine formschlüssige Verriegelung des Sekundärhebels mit dem Primärhebel bewegbar ist, sofern sich der der zumindest einen Nockenanlauffläche zugeordnete Nocken der Nockenwelle mit seinem Nockengrundkreis im Bereich der zugeordneten Nockenanlauffläche befindet, und bei dem der Sperrstift in eine Entriegelungsstellung zurückbewegbar ist.
Bei diesem Ventiltriebsystem ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass das zumindest einen Schaltsteg aufweisende Steuerelement mittels einer Steuereinheit parallel zur Nockenwellendrehachse translatorisch bewegbar ist, um den Sperrstift in die Verriegelungsstellung oder in die Entriegelungsstellung zu bewegen.
Das Ventiltriebsystem für eine Brennkraftmaschine weist einen oder mehrere Schaltschlepphebel auf, entsprechend der Zylinder- und Ventilanzahl, sowie ein Steuerelement mit entsprechenden Steuerkonturen. Diese Steuerkonturen lassen sich wahlweise mittels des Verriegelungsmechanismus außer Wirkverbindung bringen und die Schaltschlepphebel damit in einen ersten Schaltzustand versetzen oder aber durch Verlagerung des Steuerelements in Wirkverbindung bringen, um die Schaltschlepphebel damit in einen zweiten Schaltzustand zu versetzen. Diese Verlagerung erfolgt gemäß der Erfindung wie erwähnt translatorisch, welches im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten rotatorischen Verlagerung der Steuerkonturen vorteilhaft ist. Die Anlage des Verriegelungsmechanismus im nicht in Wirkverbindung zu den Steuerkonturen stehenden Zustand kann durch Rückstellfedern erfolgen. Zudem ist jedoch auch eine in zwei Richtungen wirkende Schnittstelle zwischen Steuerkontur und Verriegelungsmechanismus, ähnlich einer desmodromischen Steuerung möglich. Das Ventiltriebsystem kann sich über mehrere Zylinder erstrecken, wobei eine Schaltung nur dann erfolgen kann, wenn sich die jeweiligen Nockengrundkreise der Nocken an der Nockenwelle der Brennkraftmaschine im Bereich der Nockenanlaufflächen für ihnen zugeordnete Nocken der Nockenwelle befinden.
Erfindungsgemäß wird der Verstellimpuls auf die Sperrstifte dabei in einem federnden Bauteil in der Schnittstelle zwischen Steuerkontur und Verriegelungsmechanismus mechanisch zwischengespeichert. Diese Zwischenspeicherung erfolgt, solange der Verriegelungsmechanismus seine verriegelte Endposition noch nicht erreichen kann. Wenn sich die den Nockenanlaufflächen zugeordneten Nocken der Nockenwelle mit ihren Nockengrundkreisen im Bereich der Nockenanlaufflächen an den Primärhebeln und den Sekundärhebeln befinden, wird der Restweg des Verriegelungsmechanismus freigegeben und dieser durch die zwischengespeicherte Federkraft an den Sperrstiften in ihre Endlage nachgeführt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann die Steuerkontur selbstfedernd ausgeführt sein, beispielsweise aus einem Federbandmaterial.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung eines die Merkmale der Erfindung aufweisenden Ventiltriebsystems ist vorgesehen, dass der Sperrstift gegen die Kraft eines Federelements in die Verriegelungsstellung bewegbar ist. Die Vorteile dieser Konstruktion werden auch anhand eines Ausführungsbeispiels eingehend erläutert.
Das als teleskopierbarer Bereich des Sperrstifts ausgebildete Federelement umfasst dementsprechend eine Druckfeder, deren Federkonstante größer ist als die einer Rückholfeder am Sperrstift. Hierbei wird durch den Schaltsteg des translatorisch verschiebbaren Steuerelements eine Vorspannung des als teleskopierbarer Bereich des Sperrstifts ausgebildeten Federelements mit Zwischenspeicherung bewirkt, bis der Sperrstift in seine Verriegelungsstellung gelangt ist, in der sich die den Nockenanlaufflächen zugeordneten Nocken der Nockenwelle mit ihren Nockengrundkreisen im Bereich der Nockenanlaufflächen befinden und der Sperrstift durch die zwischengespeicherte Federkraft in seine Verriegelungsstellung nachgeführt wird.
Das wenigstens einen Schaltsteg aufweisende, translatorisch verschiebbare Steuerelement kann vorzugsweise als eine Schaltstange ausgebildet sein und mittels einer als hydraulischer oder elektrischer Linear-Aktuator ausgebildeten Steuereinheit zwischen der Verrieglungsstellung und der Entriegelungsstellung durch eine Motorsteuereinheit gesteuert betätigbar sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Schaltschlepphebel zur Betätigung von zwei nebeneinander angeordneten Ventilen wenigstens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 eine perspektivische Darstellung eines gegabelten Schaltschlepphebels zur gleichzeitigen Betätigung zweier parallel in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordneter Ventile,
2 eine schematische Darstellung des gegabelten Schaltschlepphebels gemäß 1 in einer Draufsicht in einer Schaltstellung, in welcher der Sekundärhebel des Schaltschlepphebels von dessen Primärhebel entkoppelt ist,
3 eine schematische Darstellung in Draufsicht des erfindungsgemäßen, gegabelten Schaltschlepphebels in einer Schaltstellung, in welcher ein Federelement eines Sperrstifts in einem federnden Bauteil zwischengespeichert ist sowie nur die für diese Zwischenspeicherung erforderlichen Bauelemente dargestellt sind, und
4 eine schematische Darstellung in Draufsicht des Schaltschlepphebels gemäß 3 in einer Verriegelungsstellung des Primärhebels mit dem Sekundärhebel mittels des Sperrstifts in seiner eingerasteten, die Verriegelung zwischen dem Primärhebel und dem Sekundärhebel bewirkenden Stellung.

1 zeigt demnach einen gegabelten Schaltschlepphebel 1, welcher zwei in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine angeordnete Ventile 11, 12 gleichzeitig betätigen kann. Der Schaltschlepphebel 1 besteht aus einem Primärhebel 2 und einem um eine Schwenkachse 4 am Primärhebel 2 schwenkbar gelagerten Sekundärhebel 3. Der Primärhebel 2 weist zwei zueinander parallele, axial beabstandete Nockenanlaufflächen 5, 6 auf, auf die ihnen zugeordnete Nocken einer nicht dargestellten Nockenwelle einwirken können, um den Schaltschlepphebel 1 zu verschwenken und die Ventile 11, 12 zu öffnen sowie zu schließen. Am Sekundärhebel 3 ist eine Nockenrolle 7 um eine Drehachse 7a drehbar gelagert angeordnet, zu der beabstandet und parallel eine nicht dargestellte Nockenwelle im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine in bekannter Weise gelagert ist. Eine Oberfläche der Nockenrolle 7 bildet eine Nockenanlauffläche 8 für einen an der Nockenwelle angeordneten Nocken zur Betätigung des Sekundärhebels 3.
Am Primärhebel 2 ist eine Sperrvorrichtung 9 angeordnet, deren Sperrstift 10 axial verlagerbar ist, um zum Verriegeln des Primärhebels 2 mit dem Sekundärhebel 3 in eine nicht dargestellte Ausnehmung im Sekundärhebel 3 einzugreifen und die Verriegelung zwischen den beiden Bauelementen zu bewirken.
Das den gegabelten Enden des Schaltschlepphebels 1 gegenüberliegende Ende ist mittels einer Kugelkopfstütze 13 am nicht dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine schwenkbar gelagert. Zwei beiderseits der Sperrvorrichtung 9 angeordnete Wickelfedern 14, 15 dienen dazu, den Sekundärhebel 3 in einer die Verriegelung zwischen dem Primärhebel 2 und dem Sekundärhebel 3 ermöglichenden Stellung zu halten sowie dafür zu sorgen, dass der Sekundärhebel 3 im entkoppelten Zustand stets an dem ihm zugeordneten Nocken der Nockenwelle anliegt.
2 zeigt schematisch den Schaltschlepphebel 1 in einer Draufsicht im Zusammenwirken mit einem Steuerelement 19 in Form einer translatorisch verschiebbaren Schaltstange, welche Schaltstege 20 mit einer stufenförmigen Geometrie aufweist. Dieses Steuerelement 19 wirkt mit dem sichtbaren Schaltsteg 20 auf den Sperrstift 10 des Schaltschlepphebels 1. Es kann mittels eines elektromechanischen oder hydraulischen Linear-Aktuators 21 in die in 2 dargestellte Stellung bewegt werden, in welcher der Sperrstift 10 außer Eingriff mit einer Ausnehmung im Sekundärhebel 3 gebracht ist. Um der stufenförmigen Geometrie des Schaltsteges 20 des Steuerelements 19 folgen zu können, wirkt eine Federkraft auf den Sperrstift 10 in Richtung zum Schaltsteg 20. Diese Federkraft wird von einer Rückholfeder 16 erzeugt, welche den Sperrstift 10 koaxial umgibt und sich mit deren schaltstegnahen Ende an einem Widerlager 17 abstützt, das am Sperrstift 10 ausgebildet ist. Mit ihrem anderen axialen Ende stützt sich die Rückholfeder 16 an dem Primärhebel 2 ab.
Das Steuerelement 19 lässt sich zu einem beliebigen Zeitpunkt des Arbeitszyklus des jeweiligen Zylinders der Brennkraftmaschine in die in 3 dargestellte Stellung mittels des Linear-Aktuators 21 bewegen, wodurch der Sperrstift 10 angehoben wird und mit seinem anderen Ende gegen eine Wand des Sekundärhebels 3 stößt. Hierdurch wird ein als teleskopierbarer Bereich des Sperrstifts 10 ausgebildetes Federelement 18 komprimiert, in dem eine Druckfeder angeordnet ist, deren Federkonstante größer ist als die der Rückholfeder 16, so dass dessen Federkraft so lange zwischengespeichert wird, bis der Verriegelungsmechanismus seine verriegelte Endposition, die in 4 dargestellt ist, noch nicht erreichen kann. Diese Endposition kann er erreichen, so dass der Sperrstift 10 in eine entsprechende Ausnehmung im Sekundärhebel 3 eintreten kann, sobald sich die den Nockenanlaufflächen 5, 6; 8 zugeordneten Nocken der Nockenwelle mit ihren Nockengrundkreisen im Bereich dieser Nockenanlaufflächen 5, 6; 8 befinden.
Wenn der Sekundärhebel 3 mit dem Primärhebel 2 gemäß 2 nicht verriegelt ist, wirken nur die den Nockenanlaufflächen 5, 6 am Primärhebel 2 zugeordneten Nocken an der Nockenwelle der Brennkraftmaschine auf den Schaltschlepphebel 1, während der Sekundärhebel 3 bei einer Nockenbeaufschlagung am Primärhebel 2 wirkungslos durchfedert. Die kann bedeuten, dass die Ventile 11, 12 geschlossen bleiben oder nur geringfügig oder nur über einen kleinen Öffnungswinkel geöffnet werden. Auf diese Weise lässt sich ein zugehöriger Zylinder vollständig abschalten oder mit verminderter, jedoch verbrauchsgünstiger Leistung betreiben. Wird die volle Leistung der Brennkraftmaschine benötigt, wird der Primärhebel 2 mit dem Sekundärhebel 3 gemäß 4 verriegelt, so dass ein Nocken an der Nockenwelle auf die Nockenrolle 7 des Sekundärhebels 3 einwirkt und dadurch ein größerer Öffnungshub und/oder eine längere Ventilöffnungszeit der Ventile 11, 12 bewirkt wird. Diese Umschaltung erfolgt automatisch durch eine Motorsteuereinheit in Abhängigkeit von den Leistungsanforderungen an die Brennkraftmaschine.
Es ist ersichtlich, dass das wenigstens einen Schaltsteg 20 aufweisende Steuerelement 19, welches parallel zur Nockenwellendrehachse mittels der Steuereinheit 21 translatorisch bewegbar ist, um den Sperrstift 10 in die Verriegelungsstellung gemäß 4 und in die Endriegelungsstellung gemäß 2 zu bewegen, es ermöglicht, die mechanische Verbindung des Primärhebels 2 mit dem Sekundärhebel 3 sowohl kinematisch als auch bezüglich des hierzu notwendigen Bauraumes mit einem besonders günstigen Konzept zu verwirklichen und einen deutlichen Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik zu erreichen gestattet.
Bezugszeichenliste

1: Schaltschlepphebel
2: Primärhebel
3: Sekundärhebel
4: Schwenkachse
5: Erste Nockenanlauffläche des Primärhebels
6: Zweite Nockenanlauffläche des Primärhebels
7: Nockenrolle
7a: Drehachse der Nockenrolle
8: Nockenanlauffläche auf der Nockenrolle
9: Sperrvorrichtung
10: Sperrstift
11: Ventil
12: Ventil
13: Kugelkopfstütze
14: Erste Wickelfeder
15: Zweite Wickelfeder
16: Rückholfeder
17: Widerlager für die Rückholfeder
18: Federelement, teleskopierbarer Bereich
19: Steuerelement, translatorisch verschiebbare Schaltstange
20: Schaltstege
21: Linear-Aktuator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/181264 A1 [0002]

Claims

Ventiltriebsystem mit einem Schaltschlepphebel (1, 1a, 1b), zur Betätigung wenigstens eines Ventils (11, 12) zumindest eines Zylinders einer Brennkraftmaschine mittels wenigstens eines Primärhebels (2) des Schaltschlepphebels (1), an dem ein mit dem Primärhebel (2) verriegelbarer Sekundärhebel (3) um eine Schwenkachse (4) schwenkbar angeordnet ist, wobei wenigstens einer von diesen Hebeln (2, 3) zumindest eine Nockenanlauffläche (5, 6; 8) zur Anlage an wenigstens einen zugeordneten Nocken einer Nockenwelle aufweist, wobei zwischen dem Primärhebel (2) und dem Sekundärhebel (3) eine steuerbare Sperrvorrichtung (9) angeordnet ist, die einen durch wenigstens einen Schaltsteg (20) an einem parallel zur Nockenwelle angeordneten Steuerelement (19) beaufschlagbaren Sperrstift (10) aufweist, welcher in eine Verriegelungsstellung für eine formschlüssige Verriegelung des Sekundärhebels (3) mit dem Primärhebel (2) bewegbar ist, sofern sich der der zumindest einen Nockenanlauffläche (5, 6; 8) zugeordnete Nocken der Nockenwelle mit seinem Nockengrundkreis im Bereich der zugeordneten Nockenanlauffläche (5, 6; 8) befindet, und bei dem der Sperrstift (10) in eine Entriegelungsstellung zurückbewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das den wenigstens einen Schaltsteg (20) aufweisende Steuerelement (19) mittels einer Steuereinheit (21) parallel zur Nockenwellendrehachse translatorisch bewegbar ist, um den Sperrstift (10) in die Verriegelungsstellung oder in die Entriegelungsstellung zu bewegen.
Ventiltriebsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrstift (10) gegen die Kraft eines Federelements (18) in die Verriegelungsstellung bewegbar ist.
Ventiltriebsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das als teleskopierbarer Bereich des Sperrstifts (10) ausgebildete Federelement (18) eine Druckfeder aufweist, deren Federkonstante größer ist als die einer Rückholfeder am Sperrstift (10).
Ventiltriebsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens einen Schaltsteg (20) aufweisende, translatorisch verschiebbare Steuerelement (19) als Schaltstange ausgebildet ist, welche mittels einer als hydraulischer oder elektrischer Linearaktuator ausgebildeten Steuereinheit (21) zwischen der Verriegelungsstellung und der Entriegelungsstellung durch eine Motorsteuereinheit gesteuert betätigbar ist.
Ventiltriebsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Schaltsteg (20) des Steuerelements (19) eine Vorspannung des als teleskopierbarer Bereich des Sperrstifts (10) ausgebildeten Federelements (18) mit Zwischenspeicherung bewirkt wird, und zwar solange, bis der Sperrstift (10) in seine Verriegelungsstellung gelangt ist, in welcher sich die den Nockenanlaufflächen (5, 6; 8) zugeordneten Nocken der Nockenwelle mit ihren Nockengrundkreisen im Bereich der Nockenanlaufflächen (5, 6: 8) befinden und der Sperrstift (10) durch die zwischengespeicherte Federkraft des Federelements (18) in seine Verriegelungsstellung nachgeführt wird.
Ventiltriebsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltschlepphebel (1) zur Betätigung zweier nebeneinander angeordneter Ventile (11, 12) wenigstens eines Zylinders einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist.