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Die Erfindung betrifft einen variablen Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors, mit mindestens einem funktionsgleichen Gaswechselventil pro Zylinder in einem Zylinderkopf des Verbrennungskolbenmotors, dessen Ventilhub jeweils durch wenigstens einen Nocken einer Nockenwelle vorgegeben und mittels eines schaltbaren Schlepphebels selektiv auf mindestens ein zugeordnetes Gaswechselventil übertragbar ist, wobei jeweils in einer Querbohrung axialbeweglich geführte Schaltbolzen der Schlepphebel über federnd oder starr ausgebildete Verbindungselemente mit mindestens einem langgestreckten Schaltmittel verbunden sind, welches oberhalb der Schlepphebel parallel zu der Nockenwelle in mindestens einer Führung im Zylinderkopf gelagert und mittels eines Linearaktuators gegen die Rückstellkraft eines Federelementes aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar ist, wobei die Verbindungselemente jeweils mit ihrem oberen Ende an dem langgestreckten Schaltmittel und mit ihrem unteren Ende an einem stirnseitigen Ende des Schaltbolzens des jeweiligen Schlepphebels anliegen, eingreifen oder befestigt sind, und wobei das mindestens eine langgestreckte Schaltmittel und/oder die mindestens eine Führung derart gestaltet sind, dass sich zwischen der mindestens einen Führung und dem mindestens einen langgestreckten Schaltmittel nur ein Linien- oder Punktkontakt ergeben kann, damit die Längsverschiebung des mindestens einen langgestreckten Schaltmittels in der mindestens einen Führung reibungsarm verläuft.
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Variable Ventilriebe derjenigen Bauart, bei denen der Ventilhub mehrerer funktionsgleicher Gaswechselventile mittels eines gemeinsamen langgestreckten Schaltmittels abschaltbar oder umschaltbar ist, sind bereits in den nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen
DE 10 2017 101 792 A1 ,
DE 10 2017 129 422 A1 und
DE 10 2018 117 335.0 vorgeschlagen worden.
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Variable Ventiltriebe von Verbrennungskolbenmotoren können einzelne Zylinder oder Gruppen von Zylindern des Verbrennungskolbenmotors durch eine Abschaltung des übertragbaren Ventilhubs deaktivieren und damit in Verbindung mit einer Abschaltung der Kraftstoffeinspritzung für die betreffenden Zylinder den Kraftstoffverbrauch sowie die Schadstoffemissionen des Verbrennungskolbenmotors im Teillastbetrieb senken. Andererseits können die übertragbaren Hubverläufe von Einlass- und/oder Auslassventilen des Verbrennungskolbenmotors durch eine Hubumschaltung geändert und damit in Abhängigkeit von Betriebsparametern, wie der Motordrehzahl und der Motorlast, an den aktuellen Betriebszustand des Verbrennungskolbenmotors angepasst werden. Hierdurch können die Motorleistung und das Drehmoment erhöht sowie der spezifische Kraftstoffverbrauch des Verbrennungskolbenmotors verringert werden.
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Üblicherweise sind bei variablen Ventiltrieben jeweils zwei relativ zueinander verschiebbare oder drehbare Bauteile eines schaltbaren Hubübertragungselementes vorgesehen. Bei den schaltbaren Hubübertragungselementen handelt es sich meistens um schaltbare Tassenstößel, Rollenstößel, Kipphebel oder Schlepphebel.
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Bei abschaltbaren Ventiltrieben ist das jeweilige Hubübertragungselement über ein Bauteil mit dem zugeordneten Nocken einer Nockenwelle und über ein anderes Bauteil mit dem Ventilschaft des zugeordneten Gaswechselventils in Stellverbindung. Beide Bauteile sind mittels einer Koppelvorrichtung 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 der betreffende Ventileinlass oder Ventilauslass des jeweiligen Zylinders dann geschlossen bleibt. Üblicherweise wird ein Koppelelement der Koppelvorrichtung mittels eines Federelements in einer Ruhestellung gehalten sowie durch die Beaufschlagung mit einer Stellkraft gegen die Rückstellkraft des Federelementes in eine Betätigungsstellung verschoben und dort gehalten. Bei abschaltbaren Ventiltrieben entspricht die Ruhestellung des Koppelelements meistens dem gekoppelten Zustand der Bauteile des Hubübertragungselementes und die Betätigungsstellung dem entkoppelten Zustand der Bauteile.
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Bei umschaltbaren Ventiltrieben ist das eine Bauteil mit einem zugeordneten Primärnocken einer Nockenwelle mit einem bestimmten Ventilhub sowie mit dem Ventilschaft des zugeordneten Gaswechselventils und das andere Bauteil mit einem zugeordneten Sekundärnocken der Nockenwelle mit einem größeren Ventilhub oder mit einem Zusatzhub in Stellverbindung. Im entkoppelten oder im gekoppelten Zustand wird der Ventilhub des Primärnockens auf das betreffende Gaswechselventil übertragen, im gekoppelten oder im entkoppelten Zustand wird dagegen der jeweils größere Ventilhub des Primär- oder Sekundärnockens auf das Gaswechselventil übertragen. Bei umschaltbaren Ventiltrieben entspricht die Ruhestellung des Koppelelements meistens dem entkoppelten Zustand der Bauteile des Hubübertragungselements und die Betätigungsstellung dem gekoppelten Zustand der Bauteile.
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Für die Verstellung von Koppelelementen schaltbarer Hubübertragungselemente sind bereits verschiedene Konzepte bekannt. Eine hydraulische Verstellung erfolgt üblicherweise über magnetventilgesteuerte Schaltdruckleitungen, wie dies beispielsweise in der
DE 10 2006 057 894 A1 für eine Hubabschaltung und in der
DE 10 2006 023 772 A1 für eine Hubumschaltung eines Gaswechselventils beschrieben ist. Für eine gruppenweise selektive Hubabschaltung oder Hubumschaltung sind getrennte Schaltdruckleitungen mit jeweils einem zugeordneten Schaltventil erforderlich, wie beispielsweise in der
DE 102 12 327 A1 beschrieben. Die Zuführung des Schaltdrucköls von der jeweiligen Schaltdruckleitung in ein schaltbares Hubübertragungselement erfolgt üblicherweise über ein mehrflutiges hydraulisches Abstützelement, wie es beispielsweise aus der
DE 103 30 510 A1 bekannt ist. Eine elektromagnetische Verstellung von Koppelelementen schaltbarer Hubübertragungselemente erfolgt in der Regel mittels Elektromagnete, die mittelbar oder unmittelbar mit den Koppelelementen in Wirkverbindung stehen, wie beispielsweise in der
US 5 544 626 A oder in der
DE 10 2016 220 859 A1 beschrieben.
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Die Anordnung von separaten hydraulischen Schaltdruckleitungen und zugeordneten Ventilen, oder von einzelnen elektrischen Schaltleitungen und zugeordneten Elektromagneten für jedes Koppelelement in beziehungsweise an einem Zylinderkopf eines Verbrennungskolbenmotors ist häufig aufgrund beengter Platzverhältnisse relativ schwierig und aufwendig.
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Dieser Nachteil bei einem Ventiltrieb der eingangs genannten Bauart durch die Verwendung eines langestreckten Schaltmittels behoben werden, welches mehrere funktionsgleiche Gaswechselventile abschalten oder umschalten kann.
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Bei einem derartigen Ventiltrieb sind die Koppelelemente der schaltbaren Schlepphebel jeweils mittels eines in einer Querbohrung des Sekundärhebels axialbeweglich gelagerten Schaltbolzens gegen die Rückstellkraft eines Federelementes in eine Kopplungsstellung oder in eine Entkoppelungsstellung der Primär- und Sekundärhebel verschiebbar. Jeder Schaltbolzen ragt mit seinem äußeren Ende aus dem Sekundärhebel heraus und steht an diesem Ende über ein nach oben gerichtetes, federnd, beispielsweise als Blattfeder oder starr, beispielsweise als Traverse, ausgebildetes Verbindungselement mit einem beispielsweise als Schaltstange, Schubleiste, Flachstab oder Schiene ausgebildeten langestreckten Schaltmittel in einer Verbindung. Dieses langgestreckte Schaltmittel ist oberhalb der Schlepphebel parallel zu der zugeordneten Nockenwelle angeordnet sowie in mindestens einer Führung im Zylinderkopf gelagert, und es kann mittels eines Aktuators linear gegen die Rückstellkraft eines Federelements aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung in Axialrichtung des Schaltmittels verschoben werden.
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Bei der Längsverschiebung eines derartigen Schaltmittels in den zugeordneten Führungen im Zylinderkopf des Verbrennungskolbenmotors entstehen Reibungswiderstände aufgrund von Gleit-, Haft- und/oder viskoser Reibung, wodurch es zu Variationen der Schaltzeiten des aus Linearaktuator, langgestrecktem Schaltmittel und schalbaren Schlepphebeln bestehenden elektromechanischen Schaltsystems kommen kann. Der nutzbare Betriebsbereich dieses Systems, in dem im Betrieb des Verbrennungskolbenmotors Ventilhübe um- oder abgeschaltet werden können, kann dadurch merklich eingeschränkt sein.
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Die eingangs erwähnte
DE 10 2018 117 335.0 schlägt zur Vermeidung eines reibungsbedingten Haftgleiteffekts, also eines ruckelnden Gleitens, eines als Schaltstange ausgebildeten Schaltmittels eines derartigen Ventiltriebs in Führungen eines Zylinderkopfs vor, dass die Schaltstange und/oder die Führungen derart gestaltet sind, dass sich zwischen den Führungen und der Schaltstange nur ein Linien- oder Punktkontakt ergibt. Dies soll durch konstruktive Veränderungen an dem Schaltmittel, beispielsweise durch Verformungen des Körpers des Schaltmittels mit radial ausgedehnt verlaufenden Sicken, Erhebungen, umlaufenden Bunden, oder durch solche Maßnahmen an der Führung, beispielsweise radiale Vorsprünge, erreicht werden.
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Nachteilig daran ist, dass alle diese Maßnahmen zu einer erheblichen Vergrößerung des radialen Durchmessers des Schaltsystems beziehungsweise zur Vergrößerung der Dimension in Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Schaltmittels und damit zu einem erhöhten Bedarf an Bauraum führen. Dies ist nicht ohne weiteres in einem gegebenen Zylinderkopf zulässig. Zudem ist dadurch eine stabile und passgenaue Führung über die gesamte Länge des Schaltmittels in einer Zylinderkopfnut schwierig. Eine dazu alternativ vorgeschlagene Linearführung des Schaltmittels mittels einer Wälzlagerung würde ebenfalls den notwendigen Bauraum vergrößern, die Herstellungskosten erheblich erhöhen und kann zudem den Betätigungsweg des Schaltmittels ungünstig begrenzen.
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Bei einem als Schubleiste ausgebildeten langestreckten Schaltmittel, welches an sich vorteilhaft in einer Nut im Zylinderkopf geführt und darin mittels einer Ölschmierung gleitgelagert ist, hat sich insbesondere ein viskoser Reibeffekt als problematisch gezeigt. Die Schmierung der Kontaktstellen zwischen der Schubleiste und der Zylinderkopfnut erfolgt über einen Ölnebel oder Ölspritzer aus der unmittelbaren Umgebung des Zylinderkopfs. Der so erzeugte Ölfilm zwischen der Schubleiste und der Oberfläche der Zylinderkopfnut ruft bei einer Längsverschiebung der Schubleiste eine innere Reibkraft, die sogenannte viskose Reibung hervor. Die viskose Reibung des Ölfilms bestimmt bei dieser Anordnung den Reibungswiderstand, welcher einer Betätigungskraft des Linearaktuators bei der Längsverschiebung des Schaltmittels entgegenwirkt und durch diese überwunden wird.
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Allerdings weist die Viskosität von Öl als Schmierstoff eine starke Temperaturabhängigkeit auf. Insbesondere besitzt Schmieröl bei niedrigen Umgebungstemperaturen, beispielsweise in der Kaltstartphase des Verbrennungskolbenmotors, eine hohe Viskosität, was zu einer starken Erhöhung des Reibungswiderstands bis hin zu einem Haftgeleiteffekt führt. Zudem hängt die viskose Reibung auch von der Dicke des Ölfilms ab. Da jedoch weder die Dicke des Ölfilms noch dessen Verteilung entlang des Schaltmittels genau festgelegt werden können und ebenso wie die Viskosität betriebs- und toleranzbedingten Schwankungen unterliegt, verursacht die Höhe und vor allem die Unstetigkeit der viskosen Reibung eine entsprechende Unstetigkeit in der Stellgeschwindigkeit des Schaltmittels und damit auch in der Schaltzeit des Ventiltriebs mit den genannten nachteiligen Folgen. Nach alldem besteht somit der Bedarf an einer Weiterentwicklung der Lagerung des Schaltmittels eines solchen Schaltsystems.
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Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen variablen Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors eingangs genannter Bauart mit schaltbaren Schlepphebeln vorzuschlagen, bei dem das langgestreckte Schaltmittel platzsparend und mit geringem Reibungswiderstand sowie mit geringen betriebsbedingten Reibungswiderstandschwankungen gelagert und geführt ist, bei dem insbesondere die Schaltzeiten der Schlepphebel möglichst wenig von den Betriebsbedingungen abhängig sind, und der zudem kostengünstig in der Herstellung ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird mit einem Ventiltrieb erreicht, der die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 aufweist, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung in den zugeordneten abhängigen Ansprüchen definiert sind.
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Die Erfindung geht daher aus von einem variablen Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors, mit mindestens einem funktionsgleichen Gaswechselventil pro Zylinder in einem Zylinderkopf des Verbrennungskolbenmotors, dessen Ventilhub jeweils durch wenigstens einen Nocken einer Nockenwelle vorgegeben und mittels eines schaltbaren Schlepphebels selektiv auf mindestens ein zugeordnetes Gaswechselventil übertragbar ist, wobei jeweils in einer Querbohrung axialbeweglich geführte Schaltbolzen der Schlepphebel über federnd oder starr ausgebildete Verbindungselemente mit mindestens einem langgestreckten Schaltmittel verbunden sind, welches oberhalb der Schlepphebel parallel zu der Nockenwelle in mindestens einer Führung im Zylinderkopf gelagert und mittels eines Linearaktuators gegen die Rückstellkraft eines Federelementes aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar ist, wobei die Verbindungselemente jeweils mit ihrem oberen Ende an dem langgestreckten Schaltmittel und mit ihrem unteren Ende an einem stirnseitigen Ende des Schaltbolzens des jeweiligen Schlepphebels anliegen, eingreifen oder befestigt sind, und wobei das mindestens eine langgestreckte Schaltmittel und/oder die mindestens eine Führung derart gestaltet sind, dass sich zwischen der mindestens einen Führung und dem mindestens einen langgestreckten Schaltmittel nur ein Linien- oder Punktkontakt ergeben kann, damit die Längsverschiebung des mindestens einen langgestreckten Schaltmittels in der mindestens einen Führung reibungsarm verläuft.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung bei diesem Ventiltrieb vor, dass das mindestens eine langgestreckte Schaltmittel oder die mindestens eine Führung einen sich zumindest über einen Abschnitt einer unteren Mantelfläche des Körpers des Schaltmittels oder einer obere Mantelfläche des Körpers der Führung in Bewegungsrichtung erstreckenden dreidimensional strukturierten Oberflächenbereich aufweist, oder dass das mindestens eine langgestreckte Schaltmittel und die mindestens eine Führung zwei zueinander komplementäre derartige Oberflächenbereiche aufweisen.
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Demnach sind gemäß der Erfindung konstruktive Maßnahmen vorgesehen, welche lediglich die Oberfläche des langestreckten Schaltmittels oder die Oberfläche der Führung, nicht jedoch die eigentliche Form der Körper dieser Bauteile selbst betreffen. Die Dimensionen von Schaltmittel und Führungen, insbesondere deren Dicke oder radiale Durchmesser werden somit nicht oder nur geringfügig verändert. Das Schaltmittel kann daher mit der strukturierten Oberfläche passgenau und stabil in den Führungen gelagert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine langgestreckte Schaltmittel in einem Gleitlager mindestens einer Führung gelagert ist, wobei zwischen dem Schaltmittel und der Führung ein Ölfilm ausgebildet ist.
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Ein Ölfilm zwischen dem langestreckten Schaltmittel und der Führung des Schaltmittels im Zylinderkopf ruft bei einer Längsverschiebung des Schaltmittels eine von der Stellgeschwindigkeit v des Schaltmittels, einer wirksamen Kontaktfläche A zwischen Schaltmittel und Führung, einer temperaturabhängigen Viskosität η des Öls und einer Dicke d des Ölfilms bestimmte innere Reibkraft FR= η · A · v/d hervor. Soweit stets ein durchgehender ausreichend fluider Ölfilm besteht, spielen Gleitreibung und Haftreibung des Schaltmittels bei dieser Betrachtung eine untergeordnete Rolle, so dass im Wesentlichen die viskose Reibung den Reibwiderstand bei der Verschiebung des Schaltmittels verursacht.
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Überaschenderweise hat sich herausgestellt, dass sich durch dreidimensionale Oberflächenstrukturen an Schaltmittel und/oder Führung die Kontaktflächen zwischen Schaltmittel und Führungen im Vergleich zu einer strukturlosen Kontaktfläche vorteilhaft so verändern, dass der Reibwiderstand unter allen Betriebsbedingungen und Fertigungstoleranzen verringert ist und aufgrund des geringeren Reibwiderstands auch die betriebsbedingten Schwankungen des Reibwiderstands kleiner werden. Insbesondere wird durch die Erfindung erreicht, dass der Einfluss der starken Temperaturabhängigkeit der Viskosität des Schmiermittels auf den Reibwiderstand reduziert wird. Dadurch wird der nutzbare Betriebsbereich des Schaltsystems erweitert.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der dreidimensional strukturierte Oberflächenbereich als ein integraler Bestandteil des mindestens einen Schaltmittels oder mindestens einer Führung ausgebildet ist. Das langestreckte Schaltmittel kann demnach beispielsweise als ein kostengünstiges Gussteil hergestellt werden, welches eine gewünschte Oberflächenstruktur aufweist. Eine so ausgebildete Führung im Zylinderkopf kann beispielsweise durch eine Fräsbearbeitung mit einer geeigneten Oberflächenstruktur versehen werden.
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Eine andere Weiterbildung des Ventiltriebs sieht vor, dass der dreidimensional strukturierte Oberflächenbereich als ein zusätzliches Bauteil an dem mindestens einen Schaltmittel oder mindestens an einer Führung angeordnet sowie mit diesem fest verbunden ist. Demnach kann auf das Schaltmittel oder auf die Führung zum Beispiel eine strukturierte Beschichtung aufgebracht sein. Möglich wäre auch eine Ummantelung mit einer strukturierten Hülse, Muffe oder dergleichen. In diesem Fall können der Körper des Schaltmittels beziehungsweise die Aufnahme in der Führung im Durchmesser entsprechend reduziert ausgebildet sein, so dass kein vergrößerter Einbauraum erforderlich ist. Ein zusätzliches Bauteil oder eine Beschichtung, welche auf dem Köper des Schaltmittels oder der Führung angeordnet wird, kann vorteilhaft aus einem anderen Material, insbesondere aus einem besonders gleitfähigen Material bestehen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein erster dreidimensional strukturierter Oberflächenbereich als ein sich in Bewegungsrichtung des Schaltmittels verlaufendes Rippenprofil an dem mindestens einen langestreckten Schaltmittel und/oder an mindestens einer Führung ausgebildet ist. Demnach kann das Schaltmittel Längsrippen aufweisen, welche beispielsweise an einer einem Lagersteg im Zylinderkopf zugewandten Unterseite eines als Schubleiste ausgebildeten Schaltmittels angeordnet sind, wobei zwischen dem Längsrippenprofil und der Oberfläche des Lagerstegs ein Ölfilm ausgebildet ist. Zwischen den Längsrippen kann sich ein Schmiermittelvorrat ansammeln, so dass eine stetige und sichere Versorgung des Gleitlagers mit Schmiermittel gewährleistet ist. Ein solches Rippenprofil kann durchgehend über die gesamte Länge des Schaltmittels oder nur in den Bereichen der Führungen angeordnet oder ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein zweiter dreidimensional strukturierter Oberflächenbereich als ein sich in Bewegungsrichtung des Schaltmittels erstreckendes Noppenprofil an dem mindestens einen langestreckten Schaltmittel ausgebildet ist. Ein derartiges Noppenprofil kann mit geringem Aufwand kostengünstig aus der Mantelfläche des Schaltmittels auf einer gewünschten Länge herausgeprägt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
- 1 eine vereinfachte, ausschnittweise Darstellung von schräg oben auf einen Zylinderkopf eines Verbrennungskolbenmotors und eines variablen Ventiltriebs sowie der Führung eines langestreckten Schaltmittels in dem Zylinderkopf,
- 2 eine Darstellung eines schaltbaren Schlepphebels des variablen Ventiltriebs gemäß 1,
- 3 eine Längsschnittdarstellung durch den schaltbaren Schlepphebel gemäß den 1 und 2, durch einen Ventilschaft, durch ein hydraulisches Abstützelement und durch einen an dem Schlepphebel angreifenden Nocken,
- 4 eine schematische Darstellung eines bekannten langgestreckten Schaltmittels sowie dessen Führung im Zylinderkopf in einem Längsschnitt,
- 5a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltmittels und dessen Führung im Zylinderkopf in einem Längsschnitt gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 5b eine Draufsicht auf das Schaltmittel gemäß 5a von unten,
- 6a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltmittels und dessen Führung im Zylinderkopf in einem Längsschnitt gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- 6b eine Draufsicht auf das Schaltmittel gemäß 6a von unten.
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Einige Bauelemente in den Figuren stimmen überein, so dass sie mit denselben Bezugsziffern bezeichnet sind. Insbesondere sind Bauelemente, welche sich in einem Sechszylinder-Verbrennungskolbenmotor baugleich mehrfach wiederholen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
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Demnach weist der in 1 dargestellte Zylinderkopf 1 eines beispielhaft angenommenen Sechszylinder-Verbrennungskolbenmotors mit jeweils zwölf Einlassventilen und zwölf Auslassventilen einen variablen Ventiltrieb 2 auf. Eine Auslassnockenwelle 3 ist in dem Zylinderkopf 1 in mehreren, beispielsweise sieben, Nockenwellenhalblagerböcken 6 gelagert. An einer Trennebene 4, die am Zylinderkopf 1 auch zum Aufliegen eines nicht dargestellten Ventildeckels ausgebildet ist, sind zudem mehrere, beispielsweise sieben, zugeordnete obere Nockenwellenhalblagerdeckel 5 festgeschraubt. Zwei Nockenwellenhalblagerböcke 6 sowie zwei diesen Nockenwellenhalblagerböcken 6 jeweils zugeordnete Nockenwellenhalblagerdeckel 5 sind beispielhaft und schematisch vereinfacht in 1 dargestellt.
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Die oberen Nockenwellenhalblagerdeckel 5 übergreifen jeweils in der Trennebene 4 angeordnete, als Ausnehmungen in den Nockenwellenhalblagerböcken 6 ausgebildete Führungen 8, wobei die als Ausnehmungen ausgebildeten Führungen 8 miteinander fluchtend angeordnet sind. Die Führungen 8 dienen zur Aufnahme eines als Schubleiste ausgebildeten langestreckten Schaltmittels 9. Das Schaltmittel 9 ist dadurch in einem zwischen den Nockenwellenhalblagerböcken 6 und den Nockenwellenhalblagerdeckeln 5 gebildeten Gleitlager geführt.
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Das dargestellte, als Schubleiste ausgeführte Schaltmittel 9 steht an einem Ende in Schaltverbindung mit einem Linearaktuator 10, und erstreckt sich bis zum letzten axial entgegengesetzten Ende der Auslassnockenwelle 3. Die langestreckte Schaltmittel 9 dient zur Betätigung von sechs schaltbaren Schlepphebeln 14 der sechs Auslassventile 15 der letzten drei Zylinder des Verbrennungskolbenmotors mit sechs Zylindern.
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Wie insbesondere 2 zeigt, sind an dem Schaltmittel 9 als Blattfedern ausgebildete sechs Verbindungselemente 16 für jeden der drei letzten Zylinder kraftschlüssig befestigt. Die als Blattfedern ausgebildeten Verbindungselemente 16 dienen zum Umschalten der schaltbaren Schlepphebel 14 des Ventiltriebs 4 durch Einwirkung auf jeweils einen von sechs Schaltbolzen 17.
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Die Auslassventile 15 jedes Zylinders sind über die zugeordneten schaltbaren Schlepphebel 14 hinsichtlich ihres übertragbaren Hubverlaufs abschaltbar. Der Aufbau eines solchen schaltbaren Schlepphebels 14 geht aus 2 und 3 näher hervor. Demnach weisen die Schlepphebel 14 jeweils einen Innenhebel 18, den sogenannten Primärhebel, und einen Außenhebel 19, den sogenannten Sekundärhebel, auf. Der Schlepphebel 14 weist auf seiner Unterseite an einem Ende eine kalottenförmige Einformung 12 für einen Kugelkopf eines gehäuseseitig gelagerten Abstützelements 20 mit integriertem hydraulischem Ventilspielausgleichelement auf.
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Am anderen Ende des Schlepphebels 14 ist eine Anlagefläche 7 ausgebildet, an der sich ein Ventilschaft 13 des zugeordneten Auslassventils 15 abstützt.
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Auf seiner Oberseite ist der Innenhebel 18 über ein Abgriffelement 21, das vorliegend als eine durch ein Wälzlager 11 drehbar gelagerte Nockenrolle ausgebildet ist, mit einem zugeordneten Auslassnocken 22, dem sogenannten Primärnocken, der Nockenwelle 3 in Abgriffkontakt. Der Außenhebel 19 weist eine den Innenhebel 18 umgreifende Rahmenform auf, und er ist über einen ventilseitig angeordneten Gelenkbolzen 23 schwenkbar an dem Innenhebel 18 gelagert.
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Koaxial über der Längsachse des Schaltbolzens 17 ist am Außenhebel 19 ein Paar von Schenkelfedern 24a, 24b, sogenannte Lost-Motion-Federn, angeordnet, die dazu dienen, den Innenhebel 18 in der eingeschwenkten Ruhestellung am Außenhebel 19 anliegend zu halten sowie nach einem Auslenken des Innenhebels 18 diesen mittels Federkraft zur Anlage an den Außenhebel 19 zurückzuführen. Wie bereits erwähnt, sind die schaltbaren Schlepphebel 14 im vorliegenden Beispiel zum Abschalten eines Ventilhubs ausgebildet. Alternativ dazu können die Schlepphebel 14 zum Umschalten zwischen einem Großhub und einem Kleinhub ausgebildet sein. Dafür kann der Außenhebel 19 als weitere Abgriffelemente beidseitig zu seiner Längsrichtung jeweils einen verbreiterten Stegabschnitt mit jeweils einer äußeren Gleitfläche aufweisen, die aufgrund der Federkraft der Schenkelfedern 24a, 24b in Abgriffkontakt mit jeweils einem zugeordneten Sekundärnocken der Auslassnockenwelle 3 stehen.
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Zur formschlüssigen Verbindung des Außenhebels 19 mit dem Innenhebel 18 ist eine in 3 gezeigte Verriegelungsvorrichtung 25 vorgesehen, die über den in einer Querbohrung des Außenhebels 19 axialbeweglich gelagerten Schaltbolzen 17 gegen die Kraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder betätigbar ist. Die Bauart und Ausführung der Verriegelungsvorrichtung 25 spielt hier keine Rolle und ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Wichtig ist lediglich, dass durch eine Axialbewegung des Schaltbolzens 17 eine Führungsnadel 25a, welche in einer schräg zur Drehachse des Schlepphebels 14 verlaufenden Führungsnut beweglich und zwangsgeführt ist, einen Verriegelungspin 25b in Längsrichtung des Schlepphebels 14 verschiebt, wodurch der Verriegelungspin 25b mit einem Koppelelement 25c am Innenhebel 18 in Eingriff gebracht wird und dadurch der Innenhebel 18 mit dem Außenhebel 19 verriegelt ist.
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Das als Schubleiste ausgebildete langestreckte Schaltmittel 9 ist mittels des, beispielsweise als ein elektromagnetischer Stellantrieb ausgebildeten, Linearaktuators 10 aus einer Ruhestellung in eine Schaltstellung längsverschiebbar. In der Ruhestellung ist das Schaltmittel 9 eingefahren, so dass die als Blattfedern ausgebildeten Verbindungselemente 16 den jeweils zugeordneten Schaltbolzen 17 der Schlepphebel 14 freigeben. Hierdurch fährt der Verriegelungspin 25b zurück, wodurch eine Kopplung zwischen dem Innenhebel 18 und dem Außenhebel 19 aufgehoben ist. Dadurch kann der einseitig schwenkbar gelagerte Innenhebel 18 im Außenhebel 19 frei nach unten wegschwenken, wenn der Auslassnocken 22 über das als Nockenrolle ausgebildete Abgriffelement 21 des Schlepphebels 14 auf den Innenhebel 18 einwirkt. Im Ergebnis wird ein zugeordnetes Auslassventil 15 durch den Außenhebel 19 des Schlepphebels 14 nicht geöffnet.
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Für das Einnehmen von Schaltstellungen lässt sich das als Schubleiste ausgebildete Schaltmittel 9 wie erwähnt mithilfe des Linearaktuators 10 lateral verfahren, so dass die jeweiligen als Blattfedern ausgebildeten Verbindungselemente 16 einen zugeordneten Schaltbolzen 17 in den schaltbaren Schlepphebel 14 hineindrücken, wodurch die Koppelung zwischen dem Außenhebel 19 und dem Innenhebel 18 herbeiführt wird. In dessen Folge kann der Innenhebel 18 die vom Auslassnocken 22 kommende Stellkraft auf den Außenhebel 19 übertragen, so dass beide Hebel 18, 19 gemeinsam ausgeschwenkt werden und ein zugeordnetes Auslassventil geöffnet wird.
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Wie bereits erwähnt, ist das als Schubleiste ausgebildete langestreckte Schaltmittel 9 in Führungen 8 zwischen den Nockenwellenhalblagerböcken 6 und den Nockenwellenhalblagerdeckel 5 gelagert sowie gleitend geführt. Eine Führung des Schaltmittels 9 gemäß der Erfindung ist in zwei Beispielen in den 5a, 5b sowie 6, 6b schematisch dargestellt. Zunächst wird eine in 4 ebenfalls schematisch dargestellte herkömmliche Führung des Schaltmittels 9 gemäß dem Stand der Technik erläutert.
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Demnach liegt das in 4 dargestellte, als Schubleiste nach dem Stand der Technik ausgebildete langgestreckte Schaltmittel 9 vollflächig auf einer hier vorliegend als Nut ausgebildeten Führung 8 in einem als Steg im Zylinderkopf 1 ausgebildeten Nockenhalblagerbock 6 auf, wobei zwischen einer strukturlosen ebenen unteren Mantelfläche 27 des Schaltmittels 9 und einer ebenso strukturlosen ebenen oberen Mantelfläche 28 der Führung 8 ein Ölfilm 26 zur Schmierung der Führung 8 ausgebildet ist. Zur Verdeutlichung ist die Dicke d des Ölfilms 26 in den 4 bis 6b überhöht dargestellt. Bei einer Längsverschiebung des Schaltmittels 9 in eine Bewegungsrichtung 29 kommt es zu viskoser Reibung mit Scherkräften, welche zu einem Geschwindigkeitsgefälle des Ölfilms zwischen der ortsfesten oberen Mantelfläche 28 der Führung 8 und der relativ dazu bewegten untere Mantelfläche 27 des Schaltmittels 9 führen. Der dadurch erzeugte Reibwiderstand ist von der Dicke d des Ölfilms 26 sowie über dessen Viskosität von der Temperatur stark abhängig. Die Schaltzeit beim Umschalten der Schlepphebel 14 variiert entsprechend stark in Abhängigkeit des bei der Verschiebung des Schaltmittels 9 wirksamen Reibwiderstands.
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5a und 5b zeigen ein als Schubleiste ausgebildetes langgestrecktes Schaltmittel 30 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, dessen Mantelfläche 31 einen dreidimensional strukturierten Oberflächenbereich 32 aufweist. Dieser Oberflächenbereich 32 ist, wie insbesondere 5b zeigt, als ein Rippenprofil, bestehend aus mehreren, hier vorliegend aus fünf parallel zueinander angeordneten und in Bewegungsrichtung 29 des Schaltmittels 30 verlaufenden Längsrippen 32a ausgebildet. Das Rippenprofil ist aus der unteren Mantelfläche 31 des Schaltmittels 30 herausgeprägt. Das Rippenprofil könnte alternativ dazu als ein zusätzliches Bauteil auf dem Schaltmittel 30 befestigt und der Körper des Schaltmittels 30 entsprechend dünner ausgebildet sein. In jedem Fall unterscheiden sich die Dimensionen des Schaltmittels 30 nicht oder nur geringfügig von einem herkömmlichen gattungsgemäßen Schaltmittel 9 in einer Gleitlageranordnung.
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Wie 5a zeigt, sind die einzelnen Längsrippen 32a im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet, so dass das Schaltmittel 30 linienförmig auf der als Nut ausgebildeten Führung 8 im Nockenhalblagerbock 6 aufliegt. Der zwischen dem Oberflächenbereich 32 des Schaltmittels 30 und der oberen Mantelfläche 28 der Führung 8 gebildete Ölfilm 26 verteilt sich in den Vertiefungen des Rippenprofils. Die viskose Reibung bei der Längsverschiebung des Schaltmittels 30 ist aufgrund der Oberflächenstruktur stark verringert. Dadurch kann es weder zu einem Haftgleiteffekt bei niedrigen Öltemperaturen noch zu starken Variationen der viskosen Reibung bei der Längsverschiebung des Schaltmittels 30 kommen. Die Schaltdauer beim Umschalten der Schlepphebel 14 variiert entsprechend gering.
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6a und 6b zeigen ein als Schubleiste ausgebildetes langgestrecktes Schaltmittel 33 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, dessen untere Mantelfläche 34 einen dreidimensional strukturierten Oberflächenbereich 35 aufweist. Dieser Oberflächenbereich 35 ist, wie insbesondere 6b zeigt, als ein Noppenprofil bestehend aus einer Vielzahl von Noppen 35a ausgebildet. Das Noppenprofil ist aus der unteren Mantelfläche 34 des Schaltmittels 33 herausgeprägt. Die Noppen 35a weisen die Form von Zylinderabschnitten auf, deren Querschnittsfläche als punktförmig angesehen werden kann, so dass das Schaltmittel 33 punktförmig auf der als Nut ausgebildeten Führung 8 im Nockenhalblagerbock 6 aufliegt. Alternativ dazu ist eine besonders vorteilhafte Ausführung mit Noppen in Form von Kugelabschnitten möglich. Durch das Noppenprofil gemäß 6a und 6b wird ebenso wie bei dem Rippenprofil gemäß 5a und 5b die viskose Reibung im Vergleich zu einer vollflächigen Auflage stark verringert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderkopf
- 2
- Ventiltrieb
- 3
- Nockenwelle, Auslassnockenwelle
- 4
- Trennebene
- 5
- Nockenwellenhalblagerdeckel
- 6
- Nockenhalblagerböcke
- 7
- Anlagefläche für ein Gaswechselventil am Schlepphebel
- 8
- Führung des Schaltmittels im Zylinderkopf
- 9
- Langgestrecktes Schaltmittel, Schubleiste (Stand der Technik)
- 10
- Linearaktuator
- 11
- Wälzlager zur Lagerung eines Abgriffelements
- 12
- Kalottenförmige Einformung für ein Abstützelement am Schlepphebel
- 13
- Ventilschaft
- 14
- Schaltbare Schlepphebel
- 15
- Gaswechselventile
- 16
- Verbindungselement, Blattfeder
- 17
- Schaltbolzen am Schlepphebel
- 18
- Innenhebel, Primärhebel
- 19
- Außenhebel, Sekundärhebel
- 20
- Abstützelement
- 21
- Abgriffelement am Schlepphebel, Nockenrolle
- 22
- Nocken, Auslassnocken
- 23
- Gelenkbolzen am Schlepphebel
- 24a
- Erste Schenkelfeder, Lost-Motion-Feder
- 24b
- Zweite Schenkelfeder, Lost-Motion-Feder
- 25
- Verrieglungsvorrichtung am Schlepphebel
- 25a
- Führungsnadel an Verriegelungsvorrichtung
- 25b
- Verriegelungspin an der Verriegelungsvorrichtung
- 25c
- Koppelelement an der Verriegelungsvorrichtung
- 26
- Ölfilm
- 27
- Untere Mantelfläche am langestreckten Schaltmittel (Stand der Technik)
- 28
- Obere Mantelfläche an der Führung
- 29
- Bewegungsrichtung des Schaltmittels
- 30
- Langestrecktes Schaltmittel, Schubleiste (1. Ausführungsform)
- 31
- Untere Mantelfläche am langestreckten Schaltmittel (1. Ausführungsform)
- 32
- Dreidimensional strukturierter Oberflächenbereich (1. Ausführungsform)
- 32a
- Längsrippen des strukturierten Oberflächenbereichs (1. Ausführungsform)
- 33
- Langestrecktes Schaltmittel, Schubleiste (2. Ausführungsform)
- 34
- Untere Mantelfläche am langestreckten Schaltmittel (2. Ausführungsform)
- 35
- Dreidimensional strukturierter Oberflächenbereich (2. Ausführungsform)
- 35a
- Noppen des strukturierten Oberflächenbereichs (2. Ausführungsform)
- d
- Dicke des Ölfilms
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017101792 A1 [0002]
- DE 102017129422 A1 [0002]
- DE 102018117335 [0002, 0012]
- DE 102006057894 A1 [0007]
- DE 102006023772 A1 [0007]
- DE 10212327 A1 [0007]
- DE 10330510 A1 [0007]
- US 5544626 A [0007]
- DE 102016220859 A1 [0007]
