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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betätigen zumindest einer schaltbaren Ventiltriebkomponente für eine Brennkraftmaschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs näher definierten Art.
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Aus
DE 10 2017 101 792 ist ein variabler Ventiltrieb eines Verbrennungskolbenmotors mit einer mittels eines Linearaktuators längsverschiebbar angeordneten Schaltstange bekannt. Die Schaltstange steht über ein stabförmiges Verbindungselement in Stellverbindung mit einem Schaltbolzen zum Schalten eines schaltbaren Schlepphebels. Dabei ist der Schaltbolzen zum Schalten in einer Querbohrung des Schlepphebels axialbeweglich gelagert. Der Linearaktuator ist als einfacher elektrischer Hubmagnetaktor ausgeführt, der über eine Lasche die Schaltstange zur Verschiebung drückt, wobei die Elastizität der Lasche einen Hubverlust bedingt. Bei Bestromung des Hubmagnetaktors erzeugt dieser abrupt seine maximale Kraft, die zu einer großen Druckbelastung mit großen Kraftspitzen an der Schaltstange und zu einer wellenförmigen Verformung bzw. Stauchung derselben mit einem weiteren Hubverlust und zu Beschädigungen führen kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der vorgenannten Art vorzuschlagen, die einfach aufgebaut ist und die vorgenannten Nachteile vermeidet.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es wird eine Anordnung zum Betätigen zumindest einer schaltbaren Ventiltriebkomponente für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen. Zum Schalten ist eine entlang einer Verschiebeachse verschiebbare Betätigungseinheit angeordnet. Erfindungsgemäß ist eine durch einen Aktor um eine Drehachse drehend antreibbare Umlenkeinheit vorgesehen, wobei letztere mit zumindest einer Öffnung an der Betätigungseinheit zusammenwirkt, derart, dass eine Drehbewegung der Umlenkeinheit an der Öffnung der Betätigungseinheit geführt in eine axiale Verschiebung der Betätigungseinheit zum Schalten überführbar ist. Auf diese Weise werden zusätzliche Verbindungsmittel, insbesondere eine Lasche, zur Übertragung der Verschiebung mit dem daraus resultierender Hubverlust vermieden. Außerdem ist es so möglich, die Betätigungseinheit zur Verschiebung zu ziehen statt zu drücken, wodurch Stauchungen und ein weiterer Hubverlust sowie eine Beschädigung der Betätigungseinheit verhindert werden.
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Eine besonders einfache Umlenkung der Drehbewegung der Umlenkeinheit in eine Verschiebebewegung der Betätigungseinheit wird ermöglicht, wenn zumindest eine quer zur Verschiebeachse angeordnete längliche Öffnung an der Betätigungseinheit vorgesehen ist, in die die Umlenkeinheit eingreift.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Umlenkeinheit eine drehend antreibbare Welle mit einem Mitnahmeelement auf, das achsenparallel zur Drehachse in die Öffnung an der Betätigungseinheit eingreift. Über den Achsversatz zwischen Drehachse und Mitnahmeelement ist dabei die Größe des auf die Betätigungseinheit übertragenen Hubs und die Kraftübersetzung zwischen Umlenkeinheit und Betätigungseinheit einstellbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Öffnung in ihrer Längsrichtung senkrecht zur Verschiebeachse der Betätigungseinheit. Dadurch ist eine besonders effektive Umlenkung der Drehbewegung an der Öffnung erreichbar.
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Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Umlenkeinheit senkrecht zur Verschiebeachse in die Öffnung eingreift.
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Eine weitere besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die längliche Öffnung als Langloch an der Betätigungseinheit auszuführen. Durch die Führung der Umlenkeinheit am Langloch ist ein zeitlicher Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsverlauf der Betätigungseinheit in Form einer Sinus-Kurve erreichbar. Auf diese Weise wird am Anfang ein moderater Anstieg und am Ende eine Abbremsung mit einem Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsverlauf gegen Null ermöglicht. Deshalb werden, insbesondere am Anfang und am Ende, die typischen Kraftspitzen und damit eine Überlastung der Betätigungseinheit sicher vermieden. Zusätzliche Dämpfungsmittel können so eingespart werden. Alternativ kann die Öffnung auch als Schlitz ausgeführt sein. Durch weitere alternative Formen der Öffnung ist der Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsverlauf der Betätigungseinheit sowie die Kraftübertragung auf diese an verschiedene Betriebsbedingungen einfach anpassbar.
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Das Mitnahmeelement kann besonders einfach an einem freien stirnseitigen Ende der Welle vorstehend angeordnet sein. Es ist dabei als mit der Welle einteilig ausgeführter Absatz leicht herstellbar.
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Es ist auch von Vorteil, wenn das Mitnahmeelement zylindrisch ausgeführt und mit seiner Zylinderachse achsenparallel zur Drehachse angeordnet ist.
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Das aus der thermischer Ausdehnung resultierendes Spiel der Betätigungseinheit kann deutlich reduziert werden, wenn die Öffnung an der Betätigungseinheit, somit die Kraftangriffsstelle der Umlenkeinheit an der Betätigungseinheit, in Längsrichtung in einem letzten Viertel der Betätigungseinheit gelegenen Bereich angeordnet ist. Zugleich ist dadurch der Hubverlust aufgrund der Elastizität der Betätigungseinheit weiter deutlich reduzierbar.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Betätigungseinheit zumindest abschnittsweise als stabförmiges Flachbauteil mit zwei voneinander abgewandten breiten Längsseiten ausgeführt ist. Auf diese Weise kann insbesondere die Masse reduziert und die Dynamik erhöht werden. Vorzugsweise ist dabei die Betätigungseinheit entlang ihrer Längsachse als Verschiebeachse verschiebbar angeordnet, wobei die Öffnung an einer breiten Längsseite der Betätigungseinheit ausgebildet ist.
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In besonders vorteilhafter Weise können Rückstellfedermittel zur Rückstellung der Umlenkeinheit bauraumsparend in den Aktor integriert sein. Dadurch wird auch eine aufwendige Anordnung der Rückstellfedermittel an der Betätigungseinheit vermieden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist besonders vorteilhaft zum Betätigen eines oder mehrerer schaltbarer Schlepphebel in einem Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine verwendbar. Denkbar ist auch beispielsweise die Betätigung eines oder mehrerer schaltbarer Tassen- oder Rollenstößel in einem Ventiltrieb.
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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 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zum Betätigen zumindest einer schaltbaren Ventiltriebkomponente für eine Brennkraftmaschine,
- 2 eine Einzeldarstellung eines Aktors mit einer Umlenkeinheit der Anordnung,
- 3 eine Teilansicht einer Betätigungseinheit der Anordnung,
- 3a einen vergrößerten Ausschnitt aus 3,
- 4 die Anordnung in einem ersten Betriebszustand,
- 5 die Anordnung in einem zweiten Betriebszustand,
- 6 die Anordnung in einem dritten Betriebszustand.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in 1 beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße Anordnung zum Betätigen zumindest einer schaltbaren Ventiltriebkomponente für eine Brennkraftmaschine weist einen Aktor 1 und eine Umlenkeinheit 2 auf. Letztere ist vom Aktor 1 um eine Drehachse 3 drehend antreibbar. Die Umlenkeinheit 2 besteht nach 2 aus einer um die Drehachse 3 drehend antreibbaren Welle 4 und einem mit letzterer drehfest, hier einteilig mit dieser, verbundenen Mitnahmeelement 5. Das Mitnahmeelement 5 ist an einem freien stirnseitigen Ende der Welle 4 als zylindrischer Absatz vorstehend mit der gedachten Zylinderachse 6 achsenparallel zur Drehachse 3 angeordnet (2). Das Mitnahmeelement 5 greift achsenparallel zur Drehachse 3 in eine längliche Öffnung 7 an einer zum Schalten verschiebbar angeordneten Betätigungseinheit 8 ein (1 und 3). Letztere ist als längliches stabförmiges Flachbauteil mit zwei voneinander abgewandten breiten planen Längsseiten 9, 10 und zwei voneinander abgewandten schmalen Längsseiten als sogenannte Materialstärkeseiten ausgeführt. Die Betätigungseinheit 8 bildet auf diese Weise eine Leiste, die entlang ihrer Längsachse als gedachte Verschiebeachse 11 verschiebbar angeordnet ist. Die Öffnung 7 ist an einer Längsseite 9 der Betätigungseinheit 8 als Durchgangsloch in der Form eines Langlochs ausgeführt, das sich mit seinen Längsseiten 12, 13 senkrecht zur Längs- bzw. Verschiebeachse 11 erstreckt (1, 3, 3a, 5 und 6). Die Längsseiten 12, 13 des Langlochs verlaufen parallel zueinander und werden an den Enden 14, 15 halbkreisförmig abgeschlossen, deren Durchmesser der Breite des Langlochs entsprechen. Aktor 1 und Umlenkeinheit 2 sind senkrecht zur Verschiebeachse 11 angeordnet, wobei die Umlenkeinheit 2 senkrecht an der planen Längsseite 9 der Betätigungseinheit 8 in die Öffnung 7 eingreift. Das Mitnahmeelement 5 steht mit der Betätigungseinheit 8 über einen Formschluss an der Öffnung 7 in Verbindung. Die Öffnung 7 ist so gestaltet, dass die Rotation der Umlenkeinheit 2 nicht blockiert werden kann. Durch die Rotation der Umlenkeinheit 2 um die Drehachse 3 und die Führung des Mitnahmeelements 5 in der Öffnung 7 ist die Betätigungseinheit 8 entlang der Längs- bzw. Verschiebeachse 11 verstellbar.
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Die Betätigungseinheit 8 weist weiterhin mehrere Schaltarme 16 bis 23 auf, die an einer schmalen Längs- bzw. Materialstärkeseite der Betätigungseinheit 8 einteilig mit dieser angeschlossen und jeweils mit einem freien Ende abstehend angeordnet sind (1). Die Schaltarme 16 bis 23 sind elastisch, beispielweise als Blattfedern ausgeführt. Sie sind jeweils zumindest einer nicht dargestellten schaltbaren Ventiltriebkomponente zum Schalten zugeordnet. Durch eine Verschiebebewegung Betätigungseinheit 8 entlang der Verschiebeachse 11 ist eine lineare Schaltbewegung am freien Ende der Schaltarme auf die jeweilige Ventiltriebkomponente zum Schalten übertragbar. Hierzu kann der jeweilige Schaltarm mit einem verschiebbar angeordneten Schaltelement der jeweiligen Ventiltriebkomponente zusammenwirken. Dabei ist letztere bzw. das jeweilige Schaltelement durch die Elastizität des jeweiligen Schaltarms 16 bis 23 mit einer Vorspannkraft zum Schalten beaufschlagbar. Über die jeweilige Ventiltriebkomponente ist am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine jeweils zumindest ein Gaswechselventil derselben ansteuerbar. Die Ventiltriebkomponente kann als schaltbarer Schlepphebel oder beispielsweise als schaltbarer Tassen- oder Rollenstößel ausgeführt sein.
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Es ist möglich, den Aktor 1 in einer besonders einfachen Ausführung abhängig von dem im Betrieb zum Schalten um die Drehachse 3 erforderlichen Dreh- bzw. Schwenkwinkel der Umlenkeinheit 2 als elektrischen Drehaktor mit einem Polpaar ohne Kommutator auszuführen. Denkbar ist auch, als Aktor 1 einen Elektromotor mit mehreren Polpaaren und Kommutator vorzusehen, so dass auch größere Dreh- bzw. Schwenkwinkel bzw. eine oder mehrere ganze Umdrehungen um die Drehachse 3 zum Schalten realisierbar sind. Es ist weiterhin möglich, besonders aus Gründen der Systemgesamtdynamik, in die Umlenkeinheit 2 oder in den Aktor 1, insbesondere in das Gehäuse des letzteren, ein hier nicht dargestelltes Getriebe, z.B. ein Planetengetriebe, zu integrieren.
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4 bis 6 zeigen die Anordnung mit dem Aktor 1, der Umlenkeinheit 2 und der Betätigungseinheit 8 in verschiedenen Betriebszuständen. In 4 ist die Umlenkeinheit 2 in einer Ausgangsstellung mit einem Drehwinkel von 0° bezogen auf die Drehachse 3 dargestellt. Das in die Öffnung 7 der Betätigungseinheit 8 eingreifende Mitnahmeelement 5 der Umlenkeinheit 2 befindet sich an einem ersten Ende 14 des Langlochs der Öffnung 7. Hierbei ist die Betätigungseinheit 8 in unverschobener Ausgangsstellung positioniert, so dass die jeweilige Ventiltriebkomponente sich in unbetätigtem Zustand befindet.
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In 5 ist die Umlenkeinheit 2 angetrieben durch den Aktor 1 um einen Drehwinkel von 90° um die Drehachse 3 in einen zweiten Betriebszustand verschwenkt, wie durch einen gekrümmten Pfeil angedeutet. Hierdurch wird das Mitnahmeelement 5 in der Öffnung 7 zum zweiten Ende 15 des Langlochs der Öffnung 7 geführt. Dabei wird die Betätigungseinheit 8 durch die Drehbewegung des Mitnahmeelements 5 um einen vorbestimmten Hub wie durch einen Pfeil angedeutet entlang der Verschiebeachse 11 verschoben. Dieser Hub bzw. die dadurch erzeugte Vorspannung an den Schaltarmen 16 bis 23 wird auf die jeweilige Ventiltriebkomponente zum Schalten übertragen. Die Größe des Hubs hängt vom Achsversatz zwischen Drehachse 3 und Mitnahmeelement 5 ab. Der Achsversatz bestimmt zugleich die Kraftübersetzung zwischen Umlenkeinheit 2 und Betätigungseinheit 8. Durch die Führung am Langloch wird ein zeitlicher Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsverlauf der Betätigungseinheit 8 in Form einer Sinus-Kurve mit einem moderaten Anstieg am Anfang und einer Abbremsung am Ende gegen Null erreicht. Ist ein sinusförmiger Beschleunigungsverlauf der Betätigungseinheit 8 nicht erwünscht oder aus krafttechnischer Sicht ungünstig, so kann durch eine hier nicht dargestellte alternative Geometrie der Öffnung 7 ein alternativer Beschleunigungsverlauf der Betätigungseinheit 8 realisiert werden, z.B. ist auch ein linearer Beschleunigungsverlauf erreichbar. Denkbar ist beispielsweise eine konvex bogenförmig gewölbte Form der Längsseiten 12, 13 des Langlochs der Öffnung 7. Dabei ändert sich an der tangentialen Kontaktstelle zwischen Mitnahmeelement 5 und Öffnung 7 die Winkelsteigung bzw. der Winkelversatz zur Längs- bzw. Verschiebeebene der Betätigungseinheit 8 derselben permanent. Dadurch ändert sich auch der Beschleunigungsverlauf der Betätigungseinheit 8 und die Kraftübertragung zwischen Umlenkeinheit 2 und Betätigungseinheit 8. Dagegen beträgt im Falle des Langlochs im obigen Ausführungsbeispiel die Winkelsteigung konstant 90°. Ist der Aktor 1 als einfacher Drehaktor ausgeführt, stellt sich am Anfang abhängig vom Luftspalt im Innern des Drehaktors ein kleineres Drehmoment als bei einem Elektromotor ein, das zum Ende hin ansteigt. Über die Geometrie der Öffnung 7 ist der Beschleunigungsverlauf derart einstellbar, dass der Drehaktor mit einer geringeren Kraft anlaufen kann. Später, wenn sich der Luftspalt im Drehaktor verringert, ist durch eine ansteigende Winkelsteigung zwischen Mitnahmeelement 5 und Öffnung 7 die Kraftübertragung erhöhbar.
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6 zeigt die Anordnung in einem dritten Betriebszustand, bei dem die Umlenkeinheit 2 angetrieben durch den Aktor 1 um einen Drehwinkel von weiteren 90°, d.h. gegenüber der Ausgangstellung um 180 °, um die Drehachse 3 verschwenkt bzw. verdreht ist. Hierbei wird das Mitnahmeelement 5 in der Öffnung 7 wieder zum ersten Ende 14 des Langlochs zurückgeführt. Durch die Drehbewegung des Mitnahmeelements 5 wird die Betätigungseinheit 8 um den gleichen Hub wie durch einen Pfeil angedeutet entlang der Verschiebeachse 11 in die gleiche Richtung weiterverschoben. Auf diese Weise ist die an den Schaltarmen 16 bis 23 auf die jeweilige Ventiltriebkomponente zum Schalten übertragbare Linearverschiebung bzw. Vorspannung weiter erhöhbar.
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Die Rückstellung der Betätigungseinheit 8 kann auf verschiedene Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist, Rückstellfedermittel 24 in den Aktor 1 zu integrieren. Hierzu kann eine Drehfeder, insbesondere eine Drehschenkelfeder, zwischen der Welle 4 der Umlenkeinheit 2 und einem Gehäuse oder einem anderen ortsfesten Bauteil des Aktors 1 wirkend angeordnet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Aktor 1 als Elektromotor auszuführen. Dabei erfolgt die Rückstellung der Umlenkeinheit 2 aktiv über die Bestromung des Elektromotors, der zwischen beiden Drehrichtungen umschaltbar ist. Es ist auch möglich, die Umlenkeinheit 2 durch den als Elektromotor ausgeführten Aktor 1 um weitere 180 ° in die gleiche Richtung zu verdrehen. Dabei verschiebt sich die Betätigungseinheit 8 wieder zurück in die Ausgangsstellung. Auf diese Weise können aufwendige und kostenintensive Umschaltmittel im Elektromotor vermieden werden.
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Die Öffnung 7, d.h. die Kraftangriffsstelle der Umlenkeinheit 2 an der Betätigungseinheit 8, ist vorzugsweise, wie in 1 dargestellt, in einem letzten Viertel der Betätigungseinheit 8 gelegenen Bereich angeordnet. Dadurch wird die Betätigungseinheit 8 zu drei Vierteln in Längsrichtung gezogen, statt gedrückt. Somit lässt sich der Hubverlust aufgrund der Elastizität der Betätigungseinheit 8 reduzieren. Zugleich wird das aus der thermischen Ausdehnung resultierende Spiel der Betätigungseinheit 8 um ein Viertel reduziert. Dadurch kann insbesondere bei Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen für den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine und für die Betätigungseinheit 8, beispielsweise Aluminium bzw. Stahl, bei einer Temperaturveränderung ein thermischer Ausdehnungsversatz deutlich vermindert werden. Eine maximal mögliche Reduzierung des thermischen Spiels von 50% ist erreichbar, wenn die Öffnung 7 bzw. die Kraftangriffsstelle an der Betätigungseinheit 8 in einem zwischen den axialen Enden derselben gelegenen mittleren Bereich angeordnet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktor
- 2
- Umlenkeinheit
- 3
- Dreh- bzw. Schwenkachse
- 4
- Welle
- 5
- Mitnahmeelement
- 6
- Zylinderachse
- 7
- Öffnung
- 8
- Betätigungseinheit
- 9
- Längsseite
- 10
- Längsseite
- 11
- Verschiebeachse
- 12
- Längsseite
- 13
- Längsseite
- 14
- Ende
- 15
- Ende
- 16
- Schaltarm
- 17
- Schaltarm
- 18
- Schaltarm
- 19
- Schaltarm
- 20
- Schaltarm
- 21
- Schaltarm
- 22
- Schaltarm
- 23
- Schaltarm
- 24
- Rückstellfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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