DE10339658A1

DE10339658A1 - Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen mittels Nocken für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE10339658A1
Application number: DE10339658A
Authority: DE
Inventors: Michael Seidel; Andreas Werler
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: DE10339658B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen mittels Nocken für Verbrennungsmotoren, bei der eine Nockenwelle (1) im Zylinderkopf (ZK) drehbar gelager ist und eine feste Lage zu den mittels Federkraft schließenden Ventilen (2) und deren Hubübertragungsanordnung (3) aufweist. Im Zylinderkopf (ZK) ist auch ein zur Ventilhubeinstellung mittels eines Stellmotors schwenkbares Element (4) mit einer Steuerkurve (42) ortfest gelagert angeordnet. DOLLAR A Ein vom Nocken (11) Bewegungen übertragendes Zwischenglied (6) ist an dem schwenkbaren Element (4) und an einer sich um dessen Schwenkachse (A4) erstreckenden, kreisförmigen Stützkurve prismatisch abgestützt sowie bewegbar geführt und steht mit einer Hubübertragungsanordnung (3) kraftschlüssig in Eingriff. Es wird die Aufgabe gelöst, für eine gattungsgemäße Einrichtung eine solche Kinematik zu schaffen, dass an der direkt auf das Ventil wirkenden Hubübertragungsanordnung nur geringfügige Längskräfte auftreten. Erfindungsgemäß wird dadurch erreicht, dass ein einerseits mit dem Nocken (11) in Eingriff stehender Triebhebel (5) als Schwinghebel ausgeführt und um eine im Zylinderkopf (ZK) fest positionierte Achse (A5) schwenkbar gelagert ist und andererseits mit dem am schwenkbaren Element (4) geführten Zwischenglied (6) in Eingriff steht. Vorteilhaft bildet die Schwenkachse (A4) des schwenkbaren Elementes (4) auch die Schwenkachse (A5) des Triebhebels (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen mittels Nocken für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Vorbekannt ist eine gattungsgemäße Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen mittels Nocken aus der Schrift DE 100 61 618 A1 mit folgender Bauart:
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. Es weist nacheinander angeordnet je eine sich am Umfang erstreckende Stütz- und Steuerkurve auf. Ein Zwischenglied ist an dem in seiner Stellung veränderlichen Element kraftschlüssig, während der Hubbewegung gleitend, prismenartig abgestützt. Es steht mit seiner U-förmig öffnenden Innenkontur beidseitig auf der Außenkontur der Stütz- und 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 06 016 A1 ein vollvariabler Ventiltrieb für Einlassventile zur drosselfreien Laststeuerung von Brennkraftmaschinen. Im Zylinderkopf ist jeweils ortsfest eine Nockenwelle, ein Schwenkhebel und ein Verstellmittel für den Hub gelagert. Die Lagerung von Schwenkhebel und Verstellmittel ist dabei jeweils gleichachsig ausgeführt. Der Schwenkhebel steht über eine Rolle mit einem Nocken im Eingriff, wobei an der Achse dieser Rolle ein Übertragungsglied angelenkt ist. Dieses Übertragungsglied steht einerseits mit dem ortsfest gelagerten, jedoch verschwenkbaren Verstellmittel für den Hub und andererseits mit einem als Rollenschwenkhebel ausgebildeten Ventilbetätigungsglied im Eingriff.

Vorbekannt ist durch die Schrift DE 100 06 018 A1 ein weiterer vollvariabler Ventiltrieb für Einlassventile mit einer im Zylinderkopf gelagerten Nockenwelle, bei dem ein ortsfest gelagerter Kipphebel über eine Rolle mit jeweils einem Nocken im Eingriff steht. Am anderen Ende des Kipphebels ist ein Übertragungsglied angelenkt, das einerseitis 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.

Bei beiden letztbeschriebenen Ausführungen von vollvariablen Ventiltrieben wird das Übertragungsglied unter Zwischenschaltung eines Kipp- oder Schwenkhebels mittelbar vom Nocken bewegt und weist jeweils eine aufwändige Lagerung am Kipp- bzw. Schwenkhebel auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen mit einem an dem in seiner Stellung veränderlichen Element prismenartig abgestützten Zwischenglied mit einer solchen Kinematik zu schaffen, dass an der vom Nocken angetriebenen und den direkt zum Ventil hin wirkenden Hubübertragungsanordnung nur geringfügige Längskräfte auftreten. Weiterhin sollen im Verstellbereich die jeweiligen Ventilerhebungskurven frei angepasst werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein einerseits mit dem Nocken im Eingriff stehender Triebhebel als Schwinghebel ausgeführt und um eine im Zylinderkopf fest positionierte Achse schwenkbar gelagert ist und andererseits mit dem am schwenkbaren Element geführten Zwischenglied im Eingriff steht.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ergeben sich folgende Vorteile:

– Die Anwendung eines Triebhebels vermeidet das Umlenken von Ventilbetätigungskräften am Zylinderkopf. Die übertragenden Bauteile für die Hubbewegung können leichter und kompakter ausgeführt werden und die Belastung an den Eingriffsflächen und Lagerstellen wird verringert.
– Infolgedessen, dass das Zwischenglied während der Hubbewegung eine Kombination von Schwenkbewegung und einer linearen Bewegung ausführt, verändert sich die Richtung der auf das Ventilbetätigungsglied wirkenden Kräfte nur in geringem Maße, sodass längswirkende Kräfte an der Hubübertragungsanordnung gering gehalten werden.
– Zum Anpassen der Charakteristik der einstellbaren Ventilerhebungskurven können Eingriffskurven an unterschiedlichen Bauteilen variiert ausgeführt werden und zusammenwirken. Die Kinematik des Gesamtsystems ist damit in weiten Grenzen gestaltungsfähig.

Die Merkmale der Unteransprüche werden im Zusammenhang mit den erzielten Vorteilen und Wirkungen in der Beschreibung erläutert.

Anhand einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Ventiltriebes,
2 eine Ansicht entsprechend 1 mit einer Stellung des schwenkbaren Elements für maximales Öffnen des Ventils bei vollwirksamem Hub des Nockens,
3 eine Ansicht entsprechend 2 mit einer Stellung des schwenkbaren Elements für maximales Öffnen des Ventils, jedoch beim Durchlauf des Nockengrundkreises, und dabei geschlossenem Ventil,
4 eine Ansicht entsprechend 1 mit einer Stellung des schwenkbaren Elements für minimales Öffnen des Ventils oder geschlossenem Ventil bei vollwirksamem Hub des Nockens,
5 eine Seitenansicht des schwenkbaren Elements, welches mit einer radialen Verzahnung versehen und mittels eines Schraubentriebs verstellbar ist,
6 eine Ansicht entsprechend 5, jedoch steht die radiale Verzahnung des schwenkbaren Elements mit einem Zahnradtrieb im Eingriff,
7 eine Seitenansicht des schwenkbaren Elements mit einem zugeordneten Exzenter.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen in schematisierter Seitenansicht, bei der im Zylinderkopf ZK eine Nockenwelle 1 mit Nocken 11 ortsfest gelagert ist. Sie weist damit eine feste Lage zu mittels Federkraft schließenden Ventilen 2 und deren zugeordnetem Hubübertragungsanordnung 3 auf. Im Ausführungsbeispiel ist das Betätigungsglied 3 als Rollenhebel 32 ausgeführt und mit einem Spielausgleichselement 31 und einer Rolle 33 versehen. Gleichfalls ist im Zylinderkopf ZK ein zur Ventilhubeinstellung in seiner Winkelstellung schwenkbares Element 4 in einer Achse A4 ortsfest gelagert angeordnet. Über einen Stelltrieb wird mittels eines Stellmotors, der nicht dargestellt ist, das schwenkbare Element 4 gestellt.
Ein als Schwinghebel ausgeführter Triebhebel 5 ist um eine im Zylinderkopf ZK fest positionierte Achse A5 schwenkbar gelagert, wobei die Achse A5 gleich der Achse A4 des schwenkbaren Elements 4 ist. Dieser Triebhebel 5 steht einerseits mit dem Nocken 11 und andererseits mit einem am schwenkbaren veränderlichen Element 4 geführten Zwischenglied 6 über die an ihm gelagerte Rolle 63 im Eingriff.
Das Zwischenglied 6 ist am schwenkbaren Element 4 und an einer sich um die Achse A4 der Lagerung des schwenkbaren Elements 4 erstreckenden, kreisförmigen Stützkurve und über die an ihm gelagerte Rolle 63 an einer Steuerkurve 42 prismatisch abgestützt und somit beweglich geführt.
Bei der gezeigten Einrichtung ist die Stützkurve 53 auf dem um die gemeinsamen Achsen A4 und A5 schwenkenden Triebhebel 5 angeordnet. Dies ist kinematisch günstig, weil der Triebhebel 5 und die Eingriffsfläche 61 des Zwischengliedes 6 ähnliche Bewegungen ausführen und damit geringe Bewegungen der Eingriffslinie zwischen Stützkurve 53 und Eingriffsfläche 61 auftreten.
Das Zwischenglied 6 steht mit der als Rollenhebel 32 ausgeführten, einem Ventil 2 zugeordneten Hubübertragungsanordnung 3, über seine Außenkontur 62 und dessen Rolle 33 kraftschlüssig im Eingriff. Es überträgt die vom Nocken 11 angeregte und über die Stellung des veränderlichen Elements 4 bestimmte Bewegung zum Ventil 2. Der Eingriff aller zusammenwirkenden kinematischen Glieder wird durch Kraftschluss mittels einer Federkraft F gewährleistet.
Während der Hubphase des Nockens 11 bei der Drehbewegung der Nockenwelle 1 führt der Triebhebel 5 eine Schwenkbewegung aus, die das Zwischenglied 6 definiert bewegt. Das Zwischenglied 6 führt dabei eine Schwenkbewegung um die Achse A4 aus, bei der, je nach Stellung des schwenkbaren Elements 4, entweder nur diese Schwenkbewegung oder eine zusätzlich überlagerte Bewegung ausgeführt wird.
Die als Hub in Richtung des Rollenhebel 32 und Ventils 2 wirksame, überlagerte Bewegung ergibt sich aus der Schwenkbewegung und der kraftschlüssigen Führung des Zwischenglieds 6 an der Steuerkurve 42 des schwenkbaren Elements 4 sowie der Stützkurve 53.
2 zeigt eine Ansicht entsprechend 1 mit einer Stellung des schwenkbaren Elements 4 für maximales Öffnen des Ventils 2 bei vollwirksamem Hub des Nockens 11. Der Hub des Nockens 11 verschwenkt den Triebhebel 5 maximal und verlagert das Zwischenglied 6, wobei es eine Schwenkbewegung um das schwenkbare Element 4 und eine durch den Anstieg der Steuerkurve 42 verursachte Bewegung in Richtung der Hubübertragungsanordnung 3 ausführt und das Ventil 2 maximal öffnet, siehe H max.
3 und 4 zeigen jeweils das schwenkbare Element 4 in einer Stellung für ein geschlossenes Ventil 2.
Die vom Nocken 11 bestimmte Schwenkbewegung des Triebhebels 5 wird auf das Zwischenglied 6 übertragen. Beim Durchlauf des Grundkreises vom Nocken 11, siehe 3, bleibt das Ventil 2 stets geschlossen.
Ebenso bleibt auch bei einer Stellung des Nockens 11 mit vollwirksamem Hub das Ventil 2 geschlossen, siehe 4, weil das Zwischenglied 6 auf einem in 3 ersichtlichen Kreisbogenabschnitt der Steuerkurve 42 geführt wird.
Das Ventil 2 kann bei der vorbeschriebenen Stellung des schwenkbaren Elementes 4 und bei einer Stellung des Nockens 11 mit vollwirksamem Hub entsprechend 4 gewollt auch geringfügig geöffnet sein. In diesem Falle muss das Zwischenglied 6 auf einer von einer Kreiskontur leicht abweichenden, wenig ansteigenden Kontur der Steuerkurve 42 geführt sein, dies ist jedoch nicht dargestellt.
Das zur Ventilhubeinstellung schwenkbare Element 4 wird über einen Stelltrieb von einem nicht dargestellten Stellmotor gestellt. 5 zeigt hierzu eine Lösung mit Schneckentrieb. Die Stellwelle 7 weist eine Schnecke auf, die mit einer radialen Verzahnung 43 am schwenkbaren Element 4 im Eingriff steht. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass die am schwenkbaren Element 4 auftretenden Momente nicht radial an der Verstellwelle 7 wirken und sich die auftretenden Kräfte über den Schneckentrieb an der axialen Lagerung der Schnecke im Zylinderkopf ZK abstützen und damit eine Selbsthemmung gewährleistet ist. Bei dieser Lösung ist für jeden Zylinder ein Schneckentrieb mit Stellmotor erforderlich.
In 6 ist ein Stelltrieb für das schwenkbare Element 4 gezeigt, dessen Stellwelle 7 in Längsrichtung der Motorachse verläuft und für mehrere Zylinder jeweils ein oder mehrere Ritzel 72 aufweist. Diese Ritzel greifen jeweils in eine Verzahnung 43 am Außenradius eines verstellbaren Elementes 4 ein. Bei dieser Ausführung kann nur ein Stellmotor für alle Zylinder eingesetzt werden. Nachteilig bei dieser Getriebeausführung ist das Fehlen einer Selbsthemmung, wodurch am verstellbaren Element 4 wirkende Momente als Drehmomente an der Stellwelle 7 wirken.
7 zeigt einen Stelltrieb, bei dem eine zur Schwenkachse des verstellbaren Elementes 4 parallel liegende Stellwelle 7 mit einem Excenter 73 an der Stützfläche 44 des schwenkbaren Elementes angreift. Die am Excenter 73 und damit an der Stellwelle 7 wirkenden Momente sind relativ gering.
Erwähnt sei, dass durch Variation der jeweiligen Charakteristik von Stütz- und Steuerkurve 42 die Charakteristik der einstellbaren Ventilerhebung angepasst werden kann. Hierzu ist zweckmäßig die Stützkurve in Abweichung von den Figuren auf dem schwenkbaren Element 4 und mit diesem bewegt angeordnet.

1: Nockenwelle
11: Nocken
2: Ventil
3: Hubübertragungsanordnung
31: Spielausgleichselement
32: Rollenhebel
33: Rolle
4: schwenkbares Element, in seiner Stellung veränderlich
40: Kreissegment
42: Steuerkurve
43: radiale Verzahnung
44: Stützfläche
5: Triebhebel
51: Rolle an 5
52: Eingriffsfläche an 5 für 63
53: Stützkurve
6: Zwischenglied
61: Eingriffsfläche an 53
62: Außenkontur
63: Rolle
7: Stellwelle
71: Schnecke
72: Ritzel
73: Excenter
A4/A5: Schwenkachse von 4 und 5
ZK: Zylinderkopf
F: Federkraft, die an 6 angreift und gegen 3; 4 und 5 drängt

Claims

Einrichtung zur variablen Betätigung von Ventilen mittels Nocken für Verbrennungsmotoren mit folgender Bauart: – eine Nockenwelle (1) ist im Zylinderkopf (ZK) drehbar gelagert und weist eine feste Lage zu Ventilen (2) und deren Hubübertragungsanordnung (3) auf, – in einem Zylinderkopf (ZK) angeordneten, mittels Federkraft schließenden Ventilen (2) ist jeweils eine Hubübertragungsanordnung (3) zugeordnet, – ein zur Ventilhubeinstellung mittels eines Stellmotors schwenkbares Element (4) ist im Zylinderkopf (ZK) ortsfest gelagert angeordnet und weist eine Steuerkurve (42) auf, – ein vom Nocken (11) Bewegungen übertragendes Zwischenglied (6) ist am schwenkbaren Element (4) und an einer sich um dessen Schwenkachse (A4) erstreckenden, kreisförmigen Stützkurve prismatisch abgestützt sowie bewegbar geführt, wobei es mit einer dem Ventil (2) zugeordneten Hubübertragungsanordnung (3) kraftschlüssig im Eingriff steht, dadurch gekennzeichnet, dass ein einerseits mit dem Nocken (11) im Eingriff stehender Triebhebel (5) als Schwinghebel ausgeführt und um eine im Zylinderkopf (ZK) fest positionierte Achse (A5) schwenkbar gelagert ist und andererseits mit dem am schwenkbaren Element (4) geführten Zwischenglied (6) im Eingriff steht.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse (A4) des schwenkbaren Elements (4) auch die Schwenkachse (A5) des Triebhebels (5) bildet.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das am schwenkbaren Element (4) geführte Zwischenglied (6) eine Rolle (63) aufweist, welche sowohl mit dem Triebhebel (5) als auch mit der Steuerkurve (42) des schwenkbaren Elements (4) im Eingriff steht.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubübertragungsanordnung (3) für das Ventil (2) als ein mit einer Rolle (33) versehener Rollenhebel (32), der als Schwenk- oder Kipphebel gestaltet sein kann, oder als Tassenstößel ausgeführt ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das am schwenkbaren Element (4) geführte Zwischenglied (6) unter Wirkung einer Federkraft (F) steht, deren Wirkrichtung es mit dem schwenkbaren Element (4) und dem Triebhebel (5) sowie mittelbar mit dem Nocken (11) im Eingriff hält.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisförmige Stützkurve (41) für das Zwischenglied (6) auf dem in der Schwenkachse (A4) des veränderlichen Elements (4) gelagerten ersten Triebhebel (5) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kreisförmige Stützkurve (41) für das Zwischenglied (6) auf dem veränderlichen Element (4) angeordnet ist und in einem Teil des Eingriffsbereiches des Zwischengliedes (6) von einer Kreiskontur um die Schwenkachse (A4) abweichend gestaltet ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Schwenk- oder Kipphebel bzw. Tassenstößel ausgeführte Hubübertragungsanordnung (3) eine Eingriffskurve aufweist, die in der Stellung des geschlossenen Ventils (2) durch einen Radius um die Schwenkachse (A4) des schwenkbaren Elements (4) beschrieben ist.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schwenkbare Element (4) eine Verzahnung (43) für eine Verstellung mittels Schnecke (71) oder Ritzel (72) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schwenkbare Element (4) über eine Stützfläche (44) mit einem vom Stellmotor bewegten Excenters (73) im Eingriff steht.
Einrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubübertragungsanordnung (3) ein Spielausgleichselement (31) aufweist.