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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine und ein Verfahren zur Herstellung einer Betätigungseinheit für eine Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 10 näher definierten Art.
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Aus
DE 10 2017 101 792 A1 ist ein variabler Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors bekannt. Durch zumindest einen Primärnocken und einen Sekundärnocken einer Nockenwelle ist ein Ventilhub mittels eines schaltbaren Schlepphebels selektiv auf mindestens ein zugeordnetes Gaswechselventil übertragbar. Der Schlepphebel ist durch einen Schaltbolzen schaltbar und mit einem stabförmigen Verbindungselement verbunden, das seinerseits mit einer Schaltstange in Stellverbindung gekoppelt ist. Die Schaltstange ist oberhalb des jeweiligen Schlepphebels parallel zu der zugeordneten Nockenwelle angeordnet und mittels eines Linearaktuators gegen die Rückstellkraft eines Federelements aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar. Nachteilig wirkt sich bei dieser Ausgestaltung der Umstand aus, dass jeweils das stabförmige Verbindungselement aufwendig an einer Öffnung der Schaltstange über einen Federclip mit dieser verbunden ist. Dies erfordert einen erhöhten Herstellungs- und Montageaufwand.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Aktorik der vorgenannten Art hinsichtlich ihrer Herstellung und Montage zu vereinfachen und kostengünstig zu gestalten. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Betätigungseinheit für eine Aktorik der vorgenannten Art vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und alternativ durch die Merkmale des Patentanspruchs 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es wird eine Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Die Aktorik umfasst ein entlang einer Längsachse verschiebbares Schubelement und mehrere mit diesem verschiebbare Übertragungselemente zum Betätigen jeweils zumindest einer schaltbaren Ventiltriebkomponente. Erfindungsgemäß sind Schubelement und Übertragungselemente als eine Betätigungseinheit einteilig hergestellt. Auf diese Weise wird eine homogene und betriebssichere Anbindung der Übertragungselemente an das Schubelement sichergestellt. Zudem entfällt die Montage der einzelnen Übertragungselemente, die aufgrund der erforderlichen genauen Positionierung Zeit- und kostenintensiv ist. Somit wird die Positions-Toleranzkette der Aktorik verkürzt. Bei der Serienfertigung kann dadurch der Einsatz von zwei Maschinen-Typen eingespart werden, nämlich eine Maschine zur Herstellung der Übertragungselemente und eine Maschine zur Montage der Einzelteile.
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Die Übertragungselemente sind in besonders vorteilhafter Weise in Schubrichtung des Schubelements elastisch, beispielsweise als Blattfedern, ausgeführt. Dadurch kann bei unterschiedlichen Schaltzeiten der Ventiltriebskomponenten die Übertragung einer axialen Stellbewegung durch Vorspannung der Übertragungselemente und individuelles Schalten der Ventiltriebskomponenten in der jeweiligen kräftefreien Nockengrundkreisphase einer antreibenden Nockenwelle ohne zusätzliche Bauteile erfolgen. Der Schaltvorgang kann dabei bereits in der Nockenhubphase beginnen, in der die jeweilige Blattfeder vorgespannt wird, so dass in der Nockengrundkreisphase durch die bereits vorgespannte Blattfeder die axiale Stellbewegung auf ein Schaltelement der Ventiltriebkomponente, beispielsweise einen Schaltbolzen, übertragen und das Schaltelement bzw. der Schaltbolzen verschoben wird.
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Die Betätigungseinheit ist besonders einfach herstellbar, wenn das Schubelement als flache Schubleiste aus einem Blech und die Übertragungselemente als Blattfedern aus der Schubleiste durch Stanzen hergestellt und mit freien Enden an der Schubleiste abstehend umgebogen sind. Dabei ist es möglich, die Betätigungseinheit aus einem Blech-Halbzeug mit einer konstanten Materialstärke zu stanzen und zu biegen. Die Federrate der einzelnen Blattfedern kann über die Geometrie bzw. die Form und Abmessungen derselben ausgelegt werden.
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Bevorzugt sind die Übertragungselemente mit einer Materialstärke hergestellt, die kleiner ist als die Materialstärke des Schubelements. Hierdurch ist auf einfache Weise die Federrate der Übertragungselemente bei der Herstellung durch die Materialstärke einstellbar und an die Einsatzbedingungen anpassbar.
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Dabei können die Übertragungselemente mit einer Materialstärke hergestellt sein, die kleiner oder gleich einem Viertel der Materialstärke des Schubelements ist.
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Alternativ können das Schubelement als flache Schubleiste und die Übertragungselemente als Blattfedern durch Urformen hergestellt sein. Hierbei ist die Betätigungseinheit besonders kostengünstig insbesondere durch Druck-, Spritz- oder Feingussverfahren oder durch Metallpulverspritzgießen mit einem Werkzeug in einem Arbeitsschritt herstellbar. Dadurch ist gegenüber einem Biegeverfahren eine präzisere Fertigung möglich, wodurch die Toleranzen der gesamten Aktorik weiter reduziert werden können. Weiterhin wird eine Beeinflussung oder Beschädigung der Materialstruktur der Blattfeder durch plastisches Verformen während des Biege-Prozesses vermieden und zugleich die Sicherheit gegen Dauerbruch erhöht. Außerdem können hochfeste Legierungen verwendet werden, die für einen plastischen Biege-Prozess ungeeignet sind. Die Sicherheit gegen Dauerbruch kann so weiter erhöht werden.
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Hierbei können die Übertragungselemente mit einer Materialstärke hergestellt werden, die etwa die Hälfte der Materialstärke des Schubelements beträgt. Das Verhältnis der Materialstärke der Übertragungselemente zur Materialstärke des Schubelements ist nicht auf ein Viertel begrenzt. Das Verhältnis kann an die Einsatzbedingungen angepasst werden. Denkbar ist auch, dass die Materialstärke der Übertragungselemente etwa nur ein Drittel der Materialstärke des Schubelements beträgt. Die minimale Materialstärke ist durch den Urform- oder Umformprozess begrenzt.
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Denkbar ist auch, die Betätigungseinheit mit flacher Schubleiste und Übertragungselementen als Blattfedern in einem dreidimensionalen Druckverfahren als sogenannten 3D-Druck einteilig herzustellen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Schubelement als Schubleiste mit mehreren als Blattfedern ausgebildeten Übertragungselementen ausgebildet, die rechtwinklig zur Längsachse an der Schubleiste mit ihren freien Enden abstehend zum Betätigen mit jeweils zumindest einer schaltbaren Ventiltriebkomponente in axialer Stellverbindung stehen.
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Ein einfacher Antrieb der Betätigungseinheit ist möglich, wenn das Schubelement mit einem antriebsseitigen axialen Ende in Kontakt mit einem Antriebselement zur Übertragung einer axialen Schubbewegung steht.
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Bevorzugt ist dabei das Schubelement am antriebsseitige Ende quer zur Längsachse umgebogen ist und bildet eine in Schubrichtung des Schubelements ausgerichtete Kontaktfläche zum Kontakt mit dem Antriebselement.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer Betätigungseinheit für eine Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine gelöst. Die Betätigungseinheit umfasst ein entlang einer Längsachse verschiebbares Schubelement und mehrere mit diesem verschiebbar verbundene Übertragungselemente zum axialen Betätigen jeweils zumindest einer zugeordneten schaltbaren Ventiltriebkomponente. Erfindungsgemäß wird das Schubelement als flache Schubleiste aus einem Blech mit einer vorbestimmten Materialstärke hergestellt. Zur Herstellung eines oder mehrerer Übertragungselemente werden an der Oberfläche einer flachen Längsseite der Schubleiste eine oder mehrere Vertiefungen mit einer vorbestimmten reduzierten Materialstärke eingeprägt. Anschließend wird innerhalb der jeweiligen Vertiefung jeweils ein Übertragungselement als Blattfeder mit der vorbestimmten reduzierten Materialstärke ausgestanzt und mit seinem freien Ende umgebogen. Schubelement und Übertragungselemente können so als eine einteilige Betätigungseinheit mit unterschiedlicher Materialstärke hergestellt werden.
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In einem Stanz-Biege-Verfahren können die Übertragungselemente als Blattfedern vorzugsweise aus einem Blech-Halbzeug aus einem als flache Schubleiste vorgefertigten Schubelement herausgestanzt und umgebogen werden. Alternativ können die Übertragungselemente als Blattfedern durch Urformen, insbesondere in einem Druck-, Spritz- oder Feingussverfahren oder durch Metallpulverspritzgießen mit einem Werkzeug in einem Arbeitsschritt besonders kostengünstig hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonders vorteilhafter Weise zur Herstellung einer Betätigungseinheit für eine Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine nach einem der vorangehend beschriebenen Ansprüche verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Aktorik kann in weiterhin besonders vorteilhafter Weise zur Betätigung von einem oder mehreren schaltbaren Schlepphebeln in einem Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine verwendet werden. Denkbar ist auch die Verwendung zur Betätigung anderer schaltbarer Ventiltriebkomponenten, insbesondere zumindest eines schaltbaren Tassen- oder Rollenstößels oder zumindest eines schaltbaren Abstützelements für einen Schlepphebel.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäßen Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine in einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine erfindungsgemäße Aktorik in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine geschnittene Ansicht der Aktorik aus 2,
- 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus 3,
- 5 eine erfindungsgemäße Aktorik in einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 6 eine weitere Ansicht der Aktorik aus 5,
- 7 einen vergrößerten Ausschnitt aus 5.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Aktorik für einen variablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem entlang einer Längsachse 1 verschiebbaren Schubelement 2 dargestellt, das beispielhaft drei mit diesem verschiebbar einteilig verbundene gleich ausgeführten Übertragungselemente 3 trägt. Diese sind entlang der Längsachse 1 gleichmäßig beabstandet angeordnet und als rechtwinklig zur Längsachse 1 am Schubelement 2 parallel abstehende Blattfedern ausgeführt. Die Übertragungselemente 3 sind jeweils zumindest einer nicht dargestellten schaltbaren Ventiltriebkomponente zur Betätigung zugeordnet. Durch die Übertragungselemente 3 ist jeweils eine Schubbewegung des Schubelements 1 als axiale Stellbewegung zum Schalten der jeweiligen Ventiltriebkomponente übertragbar.
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Schubelement 1 und Übertragungselemente 3 sind als eine Betätigungseinheit einteilig durch Stanzen und Biegen hergestellt. Das Schubelement 1 ist als flache Schubleiste oder Flachstab aus einem Blech-Halbzeug mit einer vorbestimmten Materialstärke S ausgestanzt. Es weist plane quer zur Längsachse 1 ausgerichtete in Materialstärkerichtung schmale Längsseiten 4 und senkrecht zu diesen ausgerichtete breite Längsseiten 5 auf. An einer breiten Längsseite 5 sind die Übertragungselemente 3 senkrecht an dieser vorstehend axial hintereinander angeordnet. Die Übertragungselemente 3 werden an den breiten Längsseiten 5 des Schubelements 1 axial fluchtend hintereinander angeordnet als Blattfedern an einem Ende einteilig mit dem Schubelement 1 verbunden ausgestanzt. Die ausgestanzten Blattfedern 3 sind an der Längsseite 5 des Schubelements 1 rechtwinklig zur Schubrichtung parallel zueinander mit ihren freien Enden mit gleicher Länge am Schubelement abstehend umgebogen. Auf diese Weise ist das Schubelement 1 mit den Blattfedern 3 einteilig hergestellt, die in Schubrichtung des Schubelements 1 biegeelastisch ausgeführt sind. Dabei sind die breiten Längsseiten 6 der Blattfedern in Schubrichtung ausgerichtet und bilden an den freien Enden zumindest eine plane Kontaktfläche zum Schalten der jeweiligen Ventiltriebskomponente. Die freien Enden der Blattfedern 3 sind stirnseitig jeweils über ihre Breite bogenförmig abgerundet. Am Schubelement 1 bleiben an den breiten Längsseiten 5 durch die ausgestanzten und umgebogenen Übertragungselemente 3 entsprechende in der Draufsicht rechteckförmige Aussparungen 7 zurück.
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Das Schubelement 1 ist mit einem antriebsseitigen Ende parallel zu den Übertragungselementen 3 rechtwinklig umgebogen und bildet an einer in Schubrichtung ausgerichteten breiten Längsfläche eine plane Kontaktfläche 8, an der ein nicht dargestelltes Antriebselement, beispielsweise ein Schub- oder Linear-Aktor, zur Übertragung einer axialen Schubbewegung angreifen kann.
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2 bis 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktorik. Hierbei sind die Übertragungselemente 3 mit einer vorbestimmten Materialstärke s hergestellt, die geringer ist als die Materialstärke S des Schubelements 2. Zur Herstellung der Übertragungselemente 3 mit einer gegenüber dem Schubelement 2 reduzierten Materialstärke s wird an dem aus einem Halbzeug aus Blech durch Stanzen als Schubleiste hergestellten Schubelement 2 an einer planen breiten Längsseite 5 desselben jeweils eine Vertiefung oder Tasche 9 eingeprägt. Hierdurch wird jeweils an dieser die Materialstärke S des Schubelements 2 auf die vorbestimmte Materialstärke s der Übertragungselemente 3 verjüngt. Anschließend werden die Übertragungselemente 3 jeweils als Blattfeder innerhalb der jeweiligen eingeprägten Vertiefung 9 mit der vorbestimmten Materialstärke s ausgestanzt und rechtwinklig umgebogen. Auf diese Weise kann eine erfindungsgemäße Betätigungseinheit mit unterschiedlicher Wandstärke S bzw. s an Schubelement 2 und Übertragungselementen 3 einteilig hergestellt werden. Dadurch ist eine einfache Einstellung einer vorbestimmten Materialstärke s der Übertragungselemente 3 zur Anpassung der Federrate der Blattfedern an die Einsatzbedingungen möglich. Die Materialstärke s der Übertragungselemente 3 kann so auf ein Viertel der Materialstärke S des Schubelements 2 reduziert werden. Im Ausführungsbeispiel ist das Schubelement 2 mit einer Materialstärke S = 2 mm und sind die Übertragungselemente 3 mit einer Materialstärke s = 0, 5 mm ausgeführt.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aktorik gemäß 5 bis 7 ist die erfindungsgemäße Betätigungseinheit durch Urformen, insbesondere durch Spritz- oder Druckguss oder durch Metallpulverspritzgießen, hergestellt. Die Übertragungselemente 3 können dabei als Blattfedern in einem Herstellungsschritt mit einer gegenüber der Materialstärke S des Schubelements 2 um die Hälfte verringerten Materialstärke s einfach hergestellt werden (6 und 7). Im Ausführungsbeispiel sind die Übertragungselemente 3 mit einer Materialstärke s = 1 mm und ist dagegen das Schubelement 1 mit einer Materialstärke S = 2 mm hergestellt.
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Das Verhältnis der Materialstärke s der Blattfedern 3 zur Materialstärke S der Schubleiste 2 ist nicht auf ein Viertel oder die Hälfte begrenzt. Es kann an die Einsatzbedingungen angepasst werden. Denkbar ist auch, dass beispielsweise die Schubleiste 2 eine Materialstärke S = 3 mm aufweist, während die Blattfedern 3 mit einer Materialstärke s = 1 mm ausgeführt sind. Dies ergibt eine Reduzierung der Materialstärke der Blattfedern 3 gegenüber der Materialstärke S der Schubleiste 2 um zwei Drittel. Die minimale Materialstärke ist durch den Urform- oder Umformprozess begrenzt.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Aktorik zur Betätigung von einem oder mehreren schaltbaren Schlepphebeln in einem Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine verwendet werden. Vorzugsweise stehen dabei die Übertragungselemente 3 bzw. die Blattfedern mit Kontaktflächen an ihren freien Enden jeweils in Kontakt mit einem in den jeweiligen Schlepphebel integrierten Schaltelement. Durch Verschieben des Schubelements 2 ist durch die Übertragungselemente 3 eine axiale Stellbewegung zum Schalten des jeweiligen Schlepphebels übertragbar. Der oder die Schlepphebel ist bzw. sind von einer oder mehreren Nockenwellen der Brennkraftmaschine mit einer Nockenhubbewegung antreibbar, die an einem Hebelendbereich des Schlepphebels zur Betätigung zumindest eines Gaswechselventils der Brennkraftmaschine übertragbar ist. Die Betätigungseinheit ist vorzugsweise mit dem Schubelement 2 parallel zur Nockenwelle angeordnet. Denkbar ist auch, dass die Aktorik mehrere jeweils aus einem Schubelement 2 und einem oder mehrerer Übertragungselementen 3 gebildete Betätigungseinheiten aufweist. Schaltbare Schlepphebel sind in den verschiedensten Ausführungen bekannt. Im Wesentlichen bestehen diese aus zwei ineinander gelagerten Hebeln, wobei vorzugsweise einer dieser Hebel, der sogenannte Primärhebel, sich ständig in Kontakt mit zumindest einem Gaswechselventil der Brennkraftmaschine befindet und der weitere Hebel, der so genannte Sekundärhebel, am Primärhebel schwenkbeweglich abgestützt ist. Bei Bedarf, beispielsweise bei einer Forderung nach einem großen Ventilhub, kann der Sekundärhebel zu- oder abgeschaltet werden. Hierdurch ist eine Hubum- oder -abschaltung bzw. Zylinderabschaltung möglich. Im abgeschalteten Modus führt der Sekundärhebel im Allgemeinen einen Leerhub als sogenannte Lost-Motion-Bewegung aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Längsachse
- 2
- Schubelement, Schubleiste
- 3
- Übertragungselement, Blattfeder
- 4
- Längsseite
- 5
- Längsseite
- 6
- Längsseite
- 7
- Aussparung
- 8
- Kontaktfläche
- 9
- Vertiefung, Tasche
- S
- Materialstärke
- s
- Materialstärke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017101792 A1 [0002]
