DE10226300B4

DE10226300B4 - Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen mittels Nocken für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE10226300B4
Application number: DE10226300A
Authority: DE
Inventors: Andreas Werler
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2022-06-11
Also published as: DE10226300A1

Abstract

Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen für Verbrennungsmotoren, die in einem Zylinderkopf (ZK) mit einer ortsfest gelagerten Nockenwelle (1), mit durch Federkraft schließenden Ventilen (2) und zusammen mit jeweils einer, jedem der Ventile (2) zugeordneten lagefest im Zylinderkopf (ZK) geführten Hubübertragungsanordnung (3) angeordnet ist und folgende Merkmale aufweist:
– ein zur Ventilhubeinstellung in seiner Stellung veränderliches Element (4) ist im Zylinderkopf (ZK) ortfest geführt und um eine im Zylinderkopf (ZK) fest positionierte Schwenkachse (A4) schwenkbar angeordnet, dabei weist es am Umfang, sich nacheinander erstreckend, je eine Stütz- (41) und eine Steuerkurve (42) auf, dabei ist die Steuerkurve (42) bei einer Stellung für Null- oder geringen Hub parallel oder wenig geneigt zur Verbindungslinie zwischen den Abstützungen der Hubübertragungsanordnung (3) am Ventil (2) und am Zylinderkopf (ZK) verlaufend angeordnet,
– ein Zwischenglied (5) ist an dem in seiner Stellung veränderlichen Element (4) mit einer sich U-förmig öffnenden Innenkontur (51) auf...

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen mittels Nocken, vorzugsweise für Verbrennungsmotoren, gemäß dem Hauptanspruch.

In der nicht vorveröffentlichten DE 100 61 618 A1 ist eine gattungsgemäße Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen mittels Nocken mit folgender Bauart beschrieben.

Eine im Zylinderkopf drehbar gelagerte Nockenwelle weist eine feste Lage zu Ventilen und deren zugeordneten Hubübertragungsanordnungen auf, die in Form von Schwenkhebeln ausgeführt sind. Diese Schwenkhebel sind gegen den Zylinderkopf vorzugsweise über ein Spielausgleichselement abgestützt und wirken auf die mittels Federkraft schließenden Ventile.

Ein zur Ventilhubeinstellung in seiner Stellung veränderliches Element ist um eine ortsfest im Zylinderkopf positionierte Achse schwenkbar gelagert angeordnet und weist je eine sich am Umfang nacheinander angeordnet erstreckende Stütztkurve und Steuerkurve auf. Ein Zwischenglied ist an dem in seiner Stellung veränderlichen Element kraftschlüssig, während der Hubbewegung gleitend, abgestützt. Es steht mit seiner U-förmig öffnenden Innenkontur beidseitig auf der Außenkontur der Stütz- bzw. Steuerkurve im Eingriff, ist damit schwenkbar geführt und steht zusätzlich mit dem Nocken sowie der dem Ventil zugeordneten Hubübertragungsanordnung im Eingriff.

Vorbekannt ist durch die Schrift DE 100 06 018 A1 ein vollvariabler Ventiltrieb für Einlassventile zur drosselfreien Laststeuerung von Brennkraftmaschinen. Im Zylinderkopf ist eine Nockenwelle gelagert, wobei ein ortsfest gelagerter Kipphebel über eine Rolle mit jeweils einem Nocken im Eingriff steht. Weiterhin ist am anderen Ende des Kipphebels ein Übertragungsglied angelenkt, das einerseits mit einem ortsfest gelagerten, jedoch verschwenkbaren Verstellmittel und andererseits mit einem als Rollenschwenkhebel ausgebildeten Ventilbetätigungsglied im Eingriff steht.

Der Kipphebel und das Verstellmittel weisen dabei die gleiche Achse für ihre Lagerung im Zylinderkopf auf.

Das Übertragungsglied wird bei dieser Ausführung eines vollvariablen Ventiltriebes unter Zwischenschaltung des Kipphebels nicht unmittelbar vom Nocken bewegt. Dies erfordert Lagerungsaufwand zum einem für den Kipphebel und zum anderen für die Anlenkung des Übertragungsgliedes am Kipphebel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen zu verbessern, um günstige kinematische Verhältnisse und verminderte mechanische Beanspruchungen des Zwischengliedes zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird dies durch eine Gestaltung gemäß dem Hauptanspruch erreicht.

Dadurch, dass die Steuerkurve auf jener, der Hubübertragungsanordnung zugekehrten Seite bei einer Stellung für Null- oder geringen Hub zu dieser parallel oder wenig geneigt verlaufend angeordnet ist, ergibt sich prinzipiell eine geringe Belastung des Zwischengliedes durch die Kräfte für das Betätigen des Ventils.

Besonders günstige Verhältnisse werden dann gewährleistet, wenn im Bewegungsbereich des Zwischenglieds für großen Hub des Ventils und hohen wirkenden Ventilbetätigungskräften die parallel zur Längsachse der Schwenkachse des veränderlichen Elements verlaufenden Eingriffslinien zwischen der Steuerkurve und dem Zwischenglied in einem Eingriffsbereich verlaufen,

– der durch die Folge der in der Ebene der Seitenansicht liegenden Punkte der Eingriffslinien zwischen der Steuerkurve und dem Zwischenglied definiert ist und
– sich beiderseits um momentane Verbindungsgeraden erstreckt, welche zwischen dem Mittelpunkt der Schwenkachse des veränderlichen Elements und den in der Ebene liegenden Punkten der jeweiligen momentanen Eingriffslinien zwischen der Hubübertragungsanordnung und dem Zwischenglied verlaufen.

Vorteilhaft ist es, wenn der Eingriff des Zwischengliedes am Nocken in einer solchen Anordnung erfolgt, dass das Zwischenglied während des Öffnungshubes durch die sich gegenüberliegenden Eingriffsbereiche an der Steuerkurve und der Hubübertragungsanordnung gezogen wird. Dies ergibt eine kinematische und für die mechanische Beanspruchung des Zwischengliedes günstige Ausführung.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen, insbesondere zum Verringern von Reibverlusten, genannt, die in der Beschreibung im Zusammenhang erläutert werden.

Anhand von Zeichnungen werden nachfolgend schematisiert dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.

Es zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen Ventiltrieb mit einem Schwenkhebel in der Hubübertragungsanordnung und mit dem veränderlichen Element im Gleiteingriff stehenden Zwischenglied,

2 einen erfindungsgemäßen Ventiltrieb der vorgenannten Art, jedoch mit einem mit dem veränderlichen Element im Wälzeingriff stehenden Zwischenglied.

In 1 ist eine Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen mittels Nocken, vorzugsweise für Verbrennungsmotoren dargestellt. Eine von der Kurbelwelle ggf. über eine Winkelverstelleinrichtung angetriebene Nockenwelle 1 ist im Zylinderkopf ZK drehbar mit fester Achslage gelagert und weist eine feste Lage zu Ventilen 2 und deren zugeordneter Hubübertragungsanordnung 3 auf. Den im Zylinderkopf ZK angeordneten, mittels Federkraft schließenden Ventilen 2 ist jeweils eine lagefest geführte Hubübertragungsanordnung 3, vorzugsweise mit einem Spielausgleichselement 31 zugeordnet.

Ein zur Ventilhubeinstellung in seiner Stellung veränderliches Element 4 ist im Zylinderkopf ZK ortfest, jedoch um die fest positionierte Schwenkachse A4 schwenkbar angeordnet. Ein Zwischenglied 5 ist an dem in seiner Stellung veränderlichen Element 4 abgestützt und wird dabei von diesem schwenkbar geführt.

Es steht mit einem Nocken 11 der im Zylinderkopf ZK gelagerten Nockenwelle 1 und außerdem mit einem Schwenkhebel 32, der dem Ventil 2 zugeordnet ist, über seine Außenkontur 52 im Eingriff.

Das in seiner Stellung veränderliche Element 4 weist an seinem Umfang eine Stützkurve 41 und eine Steuerkurve 42 auf, die sich nacheinander erstrecken. Auf diesen Kurven stützt sich das Zwischenglied 5 mit seiner sich u-förmig öffnenden Innenkontur 51 beidseitig der Schwenkachse A4 kraftschlüssig ab und gleitet während der Hubbewegung auf diesen. Dies ergibt eine prismatische Abstützung für alle möglichen Lagen bzw. Stellungen des Zwischengliedes 5.

Die Steuerkurve 42 am veränderlichen Element 4 ist auf jener der Hubübertragungsanordnung 3 zugekehrten Seite bei einer Stellung für Null- oder geringen Hub zu dieser parallel oder wenig geneigt verlaufend angeordnet, danach folgt die beim größten Hub wirksame Kontur.

Werden nachfolgend Eingriffslinien genannt, die in 2 jeweils als Punkte EL 4/5 und EL 3/5 dargestellt sind, so sind dies parallel zur Achse der Nockenwelle 1 bzw. Schwenkachse A4 des veränderlichen Elementes 4 verlaufende Berührungslinien zwischen zwei sich unter Kraftschluss linienförmig berührender Teile des Ventiltriebes. Diese Eingriffs- bzw. Berührungslinien sind unter Berücksichtigung der an den Teilen wirkenden Kräfte und der daraus folgenden Hertzschen Pressung Berührungsflächen geringer Abmessung.

Mit EL 3/5 ist die Eingriffslinie zwischen der Außenkontur 52 des Zwischengliedes 5 und der Rolle 33 des Rollenhebels 32 und mit EL 4/5 ist die Eingriffslinie zwischen dem veränderlichen Element 4 und der radialen Oberfläche der Rolle 55 am Zwischenglied 5 bezeichnet.

Vorteilhaft ist es, wenn im Bewegungsbereich des Zwischengliedes 5 mit hohen, wirkenden Ventilbetätigungskräften beim vollen Öffnen der Ventile 2 die vom jeweiligen Öffnungsweg sich abhängig ergebenden Eingriffslinien zwischen Steuerkurve 42 und Zwischenglied 5 in einem Eingriffsbereich liegen, der in der Ebene der Seitenansicht sich um jeweilige Verbindungsgeraden zwischen dem Mittelpunkt der Schwenkachse A4 des veränderlichen Elementes 4 und dem jeweiligen Punkt EL 3/5 der momentanen Eingriffslinie zwischen Hubübertragungsanordnung 3 und Zwischenglied 5 erstreckt. Vorgenannter Eingriffsbereich ist durch die Folge der in der Ebene der Seitenansicht liegenden Punkte EL4/5 der Eingriffslinien – siehe 2 – zwischen der Steuerkurve 41 und dem Zwischenglied 5 definiert.

Für eine günstige mechanische Belastung des Zwischengliedes 3 sollte der Eingriff des Zwischengliedes 5 am Nocken 11 in einer solchen Anordnung erfolgen, dass das Zwischenglied 5 während des Öffnungshubes durch die sich gegenüberliegenden Eingriffsbereiche an der Steuerkurve 42 und der Hubübertragungsanordnung 3 gezogen wird.

Vorteilhaft sollte beim Zustand – geschlossenes Ventil – die Eingriffslinie zwischen Hubübertragungsanordnung 3 und Zwischenglied 5 zwischen den Eingriffslinien des Zwischengliedes 5 am veränderlichen Element 4 verlaufen. Bei solcher Gestaltung leitet Spielausgleichselement 31 über die Hubübertragungsanordnung 3 eine Kraft und damit ein Moment in das Zwischenglied 5 ein, welches eine Anlage des Zwischengliedes 5 am veränderlichen Element 4 gewährleistet.

Das Zwischenglied 5 steht zusätzlich unter der Wirkung einer Federkraft F, deren Wirkrichtung das Zwischenglied 5 mit dem Nocken 11 und dem veränderlichen Element 4 im Eingriff hält. Dies ist in 1 beispielhaft dargestellt. Am Zwischenglied 5 greift ein Kraftarm einer Feder 56 an, die als gewundene Biegefeder ausgeführt ist und vorzugsweise um die Schwenkachse A4 erstreckend angeordnet ist. Sie stützt sich gegen den Zylinderkopf direkt oder mittelbar ab.

Vorteilhaft ist am Zwischenglied 5 für den jeweiligen Eingriff am Nocken 11 und an der Steuerkurve 42 je eine drehbar gelagerte Rolle 53; 54 angeordnet, wie dies in 2 dargestellt ist. Mit einer solchen Ausführung und ergänzt mit einer Rolle 33 an der Hubübertragungsanordnung 3, die mit dem Zwischenglied 5 im Eingriff steht, kann eine wesentliche Minderung von Reibungsverlusten erzielt werden.

Aufgrund der verhältnismäßig geringeren Kräfte gegenüber den vorgenannten Eingriffsbereichen kann das Zwischenglied 5 mit der Stützkurve 41 im Gleiteingriff stehen. Hierzu sollte diesem Eingriffsbereich eine Schmiereinrichtung S zugeordnet sein. Eine solche Gestaltung ist konstruktiv einfach und schränkt zu bewegende Massen im kinematischen System ein.

Ebenso ist es möglich, eine weitere Rolle 55 am Zwischenglied 5 anzuordnen, welche mit der Stützkurve 41 im Eingriff steht. Dies vermindert zwar Reibverluste, jedoch erhöht es die Masse und begrenzt die Größe des realisierbaren Radius für die Krümmung der Eingriffsfläche am Zwischenglied 5.

Die Außenkontur der Stützkurve 41 des in seiner Stellung veränderlichen Elementes 4 ist in einem Bereich, der sich während des Durchlaufes des Grundkreises am Nocken 11 im Eingriff befindet, durch einen Kreisbogen um die Drehachse A4 gebildet. Ergänzend kann der Kreisbogen im Bereich des Hubes in eine ansteigende Kontur übergehen. Diese ansteigende Kontur 41A beeinflusst zusammen mit der Steuerkurve 42 die Bewegung des Zwischengliedes 5 zum Erzeugen des Hubes vom Ventil 2.

In vorteilhafter und stabilisierender Weise kann das veränderliche Element 4 mit einem Kreissegment 40 im Zylinderkopf ZK gelagert sein, welches gegenüber dem Bereich des Eingriffs des Zwischengliedes 5 an der Steuerkurve 42 angeordnet ist.

1: Nockenwelle
11: Nocken
2: Ventil
3: Hubübertragungsanordnung
31: Spielausgleichselement
32: Rollenhebel
33: Rolle
4: Element, in seiner Stellung veränderlich, schwenkbar
40: Kreissegment
41: Stützkurve
42: Steuerkurve
5: Zwischenglied
51: Innenkontur
52: Außenkontur
53: Rolle
54: Rolle
55: Rolle
56: Feder
41A: ansteigende Kontur bei 41
A4: Schwenkachse von 4
ZK: Zylinderkopf
F: Federkraft, die an 5 angreift und gegen 3; 4 und 11 anlegt
EL: Eingriffslinie

Claims

Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen für Verbrennungsmotoren, die in einem Zylinderkopf (ZK) mit einer ortsfest gelagerten Nockenwelle (1), mit durch Federkraft schließenden Ventilen (2) und zusammen mit jeweils einer, jedem der Ventile (2) zugeordneten lagefest im Zylinderkopf (ZK) geführten Hubübertragungsanordnung (3) angeordnet ist und folgende Merkmale aufweist: – ein zur Ventilhubeinstellung in seiner Stellung veränderliches Element (4) ist im Zylinderkopf (ZK) ortfest geführt und um eine im Zylinderkopf (ZK) fest positionierte Schwenkachse (A4) schwenkbar angeordnet, dabei weist es am Umfang, sich nacheinander erstreckend, je eine Stütz- (41) und eine Steuerkurve (42) auf, dabei ist die Steuerkurve (42) bei einer Stellung für Null- oder geringen Hub parallel oder wenig geneigt zur Verbindungslinie zwischen den Abstützungen der Hubübertragungsanordnung (3) am Ventil (2) und am Zylinderkopf (ZK) verlaufend angeordnet, – ein Zwischenglied (5) ist an dem in seiner Stellung veränderlichen Element (4) mit einer sich U-förmig öffnenden Innenkontur (51) auf der Stützkurve (41) und der Steuerkurve (42) kraftschlüssig, während der Hubbewegung gleitend, abgestützt und steht weiterhin mit einem Nocken (11) der Nockenwelle (1) sowie über seine Außenkontur (52) mit der Hubübertragungsanordnung (3) im Eingriff, dabei bestimmt die Steuerkurve (42) in Abhängigkeit von der Schwenkstellung des in seiner Stellung veränderlichen Elementes (4) die vom Zwischenglied (5) auf die Hubübertragungsanordnung (3) zu übertragende Hubbewegung.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bewegungsbereich des Zwischenglieds (5) für großen Hub des Ventils (2) und hohe wirkende Ventilbetätigungskräfte die parallel zur Längsachse der Schwenkachse (A4) des veränderlichen Elements (4) erstreckenden Eingriffslinien (EL 4/5) zwischen der Steuerkurve (41) und dem Zwischenglied (5) in einem Eingriffsbereich verlaufen, – der durch die Folge der in der Ebene der Seitenansicht liegenden Punkte der Eingriffslinien (EL 4/5) zwischen der Steuerkurve (41) und dem Zwischenglied (5) definiert ist und – sich beidseits um momentane Verbindungsgeraden erstreckt, welche zwischen dem Mittelpunkt der Schwenkachse (A4) des veränderlichen Elements (4) und den in der Ebene liegenden Punkten der jeweiligen momentanen Eingriffslinien (EL 3/5) zwischen der Hubübertragungsanordnung (3) und dem Zwischenglied (5) verlaufen.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubübertragungsanordnung (3) unter Zwischenschaltung einer Spielausgleichseinrichtung (31) am Zylinderkopf (ZK) abgestützt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriff des Zwischengliedes (5) am Nocken (11) in einer solchen Anordnung erfolgt, dass das Zwischenglied (5) während des Öffnungshubes durch die sich gegenüberliegenden Bereiche seines Eingriffs an der Steuerkurve (42) und der Hubübertragungsanordnung (3) gezogen wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zustand – geschlossenes Ventil – die Eingriffslinie (EL) zwischen Hubübertragungsanordnung (3) und Zwischenglied (5) sich in einem um die Achse (A4) liegenden Winkelbereich befindet , der sich zwischen den beiden Eingriffslinien (EL) zwischen dem Zwischenglied (5) und dem veränderlichen Element (4) erstreckt.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Zwischenglied (5) eine gegen den Zylinderkopf (ZK) mittelbar oder direkt abgestützte Feder (56) angreift, deren Kraft (F) das Zwischenglied (5) mit dem Nocken (11) im Eingriff hält.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Zwischenglied (5) ein Kraftarm der Feder (56) angreift, wobei die Feder (56) als gewundene Biegefeder ausgeführt und um die Schwenkachse (A4) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenglied (5) für den jeweiligen Eingriff am Nocken (11) und an der Steuerkurve (42) jeweils eine drehbar gelagerte Rolle (53; 55) aufweist sowie an der Stützkurve (41) im Gleiteingriff abgestützt ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rolle (33) der Hubübertragungsanordnung (3) mit dem Zwischenglied (5) im Eingriff steht.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur der Stützkurve (41) des in seiner Stellung veränderlichen Elementes (4) in einem Bereich, der sich während des Durchlaufes des Grundkreises des Nockens (11) im Eingriff mit dem Zwischenglied (5) befindet, durch einen Kreisbogen um die Drehachse (A4) gebildet ist und in einem Bereich, der sich während des Durchlaufens der Nockenerhebung im Eingriff mit dem Zwischenglied (5) befindet, in eine Kontur (41A) mit zunehmendem Abstand zur Schwenkachse (A4) übergeht.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bereich des Gleiteingriffs des Zwischengliedes (5) an der Stützkurve (41) eine Schmiereinrichtung (S) zugeordnet ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das veränderliche Element (4) mit einem gegenüber dem Bereich des Eingriffs des Zwischengliedes (5) an der Steuerkurve (42) angeordneten Kreissegment (40) im Zylinderkopf (ZK) gelagert ist.