DE19629313A1

DE19629313A1 - Hydraulisches Spielausgleichselement

Info

Publication number: DE19629313A1
Application number: DE19629313A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Speil; Dieter Schmidt
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1996-07-20
Filing date: 1996-07-20
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2016-07-21
Also published as: KR100293753B1; JPH1077811A; KR980009766A; DE19629313B4; US5860399A; CN1095925C; CN1172895A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Spielausgleichselement nach den ober begriffsbildenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Hintergrund der Erfindung

Derartige Spielausgleichselemente sind dem Fachmann hinreichend bekannt und werden beispielsweise in Ventiltriebe von Brennkraftmaschinen integriert, um das dort während der Befeuerung der Brennkraftmaschinen durch Wärme dehnung und Verschleiß auftretende unerwünschte positive oder negative Spiel zu kompensieren. Diese Elemente arbeiten mit einem Servomittel wie Hydrau likmittel, welches während deren Hochdruckphase über einen Leckspalt zwi schen einem Gehäuse und einem Druckkolben gepreßt wird.

Dabei ist dem Fachmann aus dem älteren Stand der Technik bekannt, daß es insbesondere während einer Warmlaufphase der betreffenden Brennkraftmaschi nen aus sehr tiefen Temperaturen heraus dazu kommt, daß ein Ausgleich von insbesondere negativem Spiel während dieses Betriebszeitpunkts nicht realisiert wird. Dieses negative Spiel rührt daher, daß bei Wiederbefeuerung der Brenn kraftmaschinen aus ihrem kalten Zustand heraus es speziell am Auslaßventil zu einem hohen Wärmeeintrag kommt. Dieser bewirkt eine relative Verlängerung des Ventils in bezug auf dessen Umgebungsteile. Bisherige Spielausgleichs elemente sind aufgrund ihrer Leckspalt- und Absinkcharakteristik nach mehreren Nockenumdrehungen nicht mehr in der Lage, diese negative Spieländerung ausreichend zu kompensieren. Dies tritt dann auf, wenn ein Gradient von digital während einer Temperaturänderung des Ventiltriebs addierten Absinkwe gen pro Hubzyklus von Druckkolben und Gehäuse zueinander flacher verläuft, als ein Gradient einer Spielverkleinerung zwischen einem Ende eines Ventil schaftes, dem das Spielausgleichselement zugeordnet ist, und einem Nocken grundkreis. Die daraus folgenden offenstehenden Ventile führen aufgrund schlechter Zylinderfüllung und Verbrennung im Extremfall zum Ausfall der Verbrennung. Die Brennkraftmaschine kann unter ungünstigsten Bedingungen "absterben". Abgesehen davon kommt es durch unverbrannte Gasmengen auch zu einem vorzeitigen Funktionsverlust des abgasseitigen Katalysators. Gegebe nenfalls kann die Brennkraftmaschine nach ihrem vorangegangenen Ausfall aufgrund nach wie vor offenstehender Ventile und somit fehlender Kompression zeitweise nicht mehr problemlos gestartet werden.

Verstärkt werden diese Probleme der negativen Spieländerung auch durch zu hohen Öldruck bzw. dessen Pulsation und anderes.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spielausgleichselement der vorgenannten Art zu schaffen, bei dem die aufgezeigten Nachteile beseitigt sind und insbesondere dessen Absinkwerte über einen breiten Temperaturbereich hinweg im Vergleich zu bisherigen Lösungen deutlich erhöht sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 bzw. des nebengeordneten Anspruchs 2 gelöst, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Konkretisierungen der Erfindung darstellen, welche auch selbständig schutzfähige Maßnahmen enthalten können.

Durch die im Hauptanspruch bzw. nebengeordneten Anspruch aufgezeigten Maßnahmen ist über einen breiten Temperaturbereich hinweg garantiert, daß das betreffende Spielausgleichselement ausreichend schnell in der Lage ist, insbesondere negative Längenänderungen im Ventiltrieb ausreichend schnell zu kompensieren. Dabei wird dem Fachmann eine Lehre in die Hand gegeben, mittels welcher er durch Variation der vorgeschlagenen Parameter stets optimale Bedingungen am Leckspalt einstellen kann. Zur Vermeidung einer großen Streuung dieser Absinkwerte, zumindest je Brennkraftmaschine, ist es gleicher maßen vorgeschlagen, einen Quotienten aus dem zahlenmäßig größten und kleinsten Absinkwert nicht wesentlich größer als 6 zu gestalten. Vorteilhafter weise könnte dieser Quotient nicht nur an einzelnen Spielausgleichselementen je Brennkraftmaschine sondern für alle Spielausgleichselemente des betreffenden Brennkraftmaschinentyps eingestellt werden.

Der kleinste Wert AW_min · d_m ^-1 0,03 [sec/mm²] kennzeichnet somit den größ ten Hubverlust während eines Hubzyklus und ist in Richtung weiterer Ver kleinerung begrenzt durch eine maximale Rampenhöhe einer Schließrampe des Nockens; welcher Einsinkwert durch die Rampenhöhe vorgehalten werden muß. Ein zu schnelles Einsinken kann daher dazu führen, daß das betreffende Gas wechselventil seinen Sitz zu früh und zu schnell erreicht, was zum einen einen vorzeitigen Verschleiß und eine Geräuschentwicklung und zum anderen einen schlechten Ladungswechsel bedeutet. Der obere Wert AW_max · d_m ^-1 = 0,5 [sec/mm²] kennzeichnet das langsamst mögliche Einsinken des betreffenden Spielausgleichselements, bei dem über alle Temperaturbereiche hinweg gerade noch mit einem vollständigen Schließen des Gaswechselventils bei dessen positiver Längenänderung zu rechnen ist. Wird dieser Wert durch entsprechend schlechte Bedingungen am Leckspalt überschritten, kommt es während der Befeuerung der Brennkraftmaschine zu den eingangs beschriebenen Nachteilen.

Sämtliche angeführte Größenverhältnisse beziehen sich grundsätzlich auf eine Direktbetätigung des jeweiligen Gaswechselventils über darüberliegende Tassen stößel oder ähnliches, bei seiner indirekten Betätigung über Kipp- oder Schlepp hebel ist es erforderlich, in diese Angaben das entsprechende Übersetzungs verhältnis einzurechnen.

Die Realisierung der vorgenannten Bedingungen erzielt der Fachmann in Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß er den Leckspalt am Spielausgleichs element beispielsweise deutlich breiter gegenüber einem bisher ausgeführten Leckspalt eines Spielausgleichselements gleicher Dimensionierung für einen gleichen Brennkraftmaschinentyp herstellt. Ebenso erzielt er dies durch Kürzung der Leckspaltlänge oder durch zusätzliche Leckstellen im Hochdruckraum wie Bohrungen o. ä.

Aufgrund der erfindungsgemäß nunmehr eingestellten schnelleren Absinkwerte mit größerem Hubverlust wird in einem weiteren Unteranspruch vorgeschlagen, diesen größeren Hubverlust durch zweckmäßige Gestaltung der Schließrampe des Nockens zu kompensieren. Dabei soll die einem Grundkreis des Nockens in Drehrichtung vorgeordnete Schließrampe eine maximal zulässige Höhe nicht überschreiten und gleichzeitig dem Gaswechselventil eine möglichst niedrige Aufsetzgeschwindigkeit in seinen Sitz garantieren.

Ebenfalls ist es in Konkretisierung der Erfindung vorgeschlagen, den Rampenbe reich der Schließrampe in Richtung Grundkreis nicht unnötig zu verlängern, was sich ungünstig auf die Ventilüberschneidung auswirkt. Demnach soll lediglich ein Bereich der Schließrampe häufigsten Schließens des Gaswechsel ventils in seiner dem jeweiligen Gaswechselventil übermittelten Schließge schwindigkeit linear ausgelegt sein, wobei dessen beidseitige Randbereiche in Drehrichtung degressiv vorgeschlagen sind. Kommt es bei Temperaturextrema trotzdem zu einem Auftreffen des Gaswechselventils in seinem oberen Totpunkt in einem der degressiven Bereiche, so kann dies akzeptiert werden, da lediglich mit einem geringen Verschleiß aufgrund der statistisch gesehen geringen Auf trefferzahl zu rechnen ist.

Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird zum besseren Verständnis anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese Figur zeigt ein hydraulisches Spielausgleichselement 1, welches in an sich bekannter Art und Weise in einen Tassenstößel 2 eingebaut ist. Dabei besteht das Spielausgleichselement 1 aus einem hohlzylindrischen Gehäuse 3, welches in seiner Bohrung 4, relativ beweglich zu diesem, einen Druckkolben 5 einschließt. Der Druckkolben 5 stützt sich mit seiner einen Stirnseite 6 gegen einen Boden 7 des Tassenstößels 2 ab. In die entgegengesetzte Richtung ist der Druckkolben 5 gegenüber einem Boden 8 des Gehäuses 3 über ein Federmittel 9 abgestützt. Gleichzeitig weist der Druckkolben 5 ein in Richtung zum Boden 8 sich öffnendes, nicht näher zu beschreibendes Rückschlagventil 10 auf. Axial zwischen Druckkolben 5 und Boden 8 verläuft ein Hochdruckraum 11 für Hydraulikmittel. Gleichzeitig ist der Tassenstößel 2 an seinem Boden 7 von einem Nocken 12 im Hubsinn beaufschlagt. Eine Übertragung eines Hubes des Nockens 12 erfolgt somit, ausgehend von diesem, über den Tassenstößel 2 auf ein dem Boden 8 des Gehäuses 3 zugewandtes Gaswechselventil 13, wie beispielsweise ein Auslaßventil.

Auf die prinzipielle Erläuterung einer Funktionsweise des in den Tassenstößel 2 eingebauten Spielausgleichselements 1 wird an dieser Stelle verzichtet, weil dies der Fachwelt an sich bekannt ist. Jedoch erfolgt während jeder Hubbe wegung des Nockens 12 ein Auspressen einer geringen Menge an Hydraulik mittel über einen zwischen Gehäuse 3 und Druckkolben 5 verlaufenden Leck spalt 15. Während einer Grundkreisphase B₅ des Nockens 12 findet eine Elimi nierung des im Ventiltrieb auftretenden Spiels dadurch statt, daß der Hoch druckraum 11 aus einem Vorratsraum 16, welcher vom Druckkolben 5 einge schlossen ist, eine definierte Menge an hydraulischem Mittel nachsaugt. Gleich zeitig sorgt das Federmittel 9 dafür, daß der Kraftschluß zwischen Tassenstößel 2, Nocken 12 und Gaswechselventil 13 spielfrei bleibt. Die o.g. Längenände rung des Spielausgleichselements 1 durch Auspressen des Hydraulikmittels aus dem Hochdruckraum 11 ist nicht nur zum Ausgleich des Ventilspiels notwen dig, sondern auch zum Ausgleich von Dilatationen im Ventiltrieb, so wie sie z. B. durch Verschleiß am Ventilsitz oder Wärmedehnung, wie beschreibungs einleitend näher ausgeführt, auftreten können.

Nach der Erfindung ist daher vorgeschlagen, den Leckspalt 15 beispielsweise in seiner Breite b breiter und/oder in seiner Länge kürzer als bei vergleichbaren Spielausgleichselementen 1 auszugestalten. Der Fachmann kann dies dabei durch Versuche dadurch ermitteln, indem er ein Verhältnis (unter Normbedin gungen) eines Absinkwertes AW [sec/mm] von Druckkolben 5 zu Gehäuse 3 bei Belastung zu einem mittleren Leckspaltdurchmesser d_m [mm] etwa im Bereich zwischen 0,03 und 0,5 [sec/mm²] einstellt. Zur Erzielung einer geringen Streu ung für Spielausgleichselemente 1 eines Brennkraftmaschinentyps gleicher Dimensionierung ist es dabei von besonderem Vorteil, wenn ein Verhältnis aus einem maximalen Absinkwert AW_max/AW_min 6 ist. Somit ist über alle Tem peraturbereiche hinweg (siehe insbesondere Beschreibungseinleitung) mit einem ausreichenden Absinken des Gehäuses 3 relativ zum Druckkolben 5, insbeson dere bei schneller Längung des Gaswechselventils 13 in Richtung zum Nocken 12 durch hohen Wärmeeintrag, zu rechnen. Bei Einhaltung dieser Parameter gelingt es dem Motorenfachmann auf einfache Art und Weise, unter allen Betriebsbedingungen ein Schließen des Gaswechselventils 13 einzustellen. Gleichzeitig ist durch den unteren Wert 0,03 [sec/mm²] eine Grenze vorgege ben, bei deren Einhaltung das Gaswechselventil 13 aufgrund des geringen Leckspaltwiderstandes nicht zu früh in seinen Sitz gelangt; mit den bekannten Nachteilen.

Am Nocken 12 kennzeichnen die Bereiche B₂-B₄ eine Schließrampe, wobei B₁ eine auf eine Nockenspitze 17 folgende Ablaufflanke und B₅ den Grundkreis des Nockens 12 darstellt. Zum Ausgleich der größten, absinkzeitbedingten Hubverluste am Spielausgleichselement 1 soll dabei eine Höhe h_R (nicht darge stellt) der Schließrampe B₂ bis B₄ 0,35 mm gestaltet werden, wobei hierzu auch die Schließgeschwindigkeit v des Gaswechselventils 13 im Bereich B₂-B₄ 40 [µm/°NW] nicht übersteigen sollte. Ebenfalls kann der Bereich B₃ als der Bereich ausgebildet und angesehen werden, in dem es statistisch gesehen zum häufigsten Aufsetzen des Gaswechselventils 13 in seinen Sitz kommt. Daher wird vorgeschlagen, den Bereich B₃ in seinem Geschwindigkeitsverlauf, welcher dem Gaswechselventil 13 übermittelt wird, linear (konstant) zu gestalten, so daß ein ausreichend "sanftes" Aufsetzen des Gaswechselventils 13 in seinen Sitz auftritt. Zur Verkürzung der restlichen Schließrampenbereiche B₂, B₄ ist es dann vorgeschlagen, diese in ihrem Geschwindigkeitsverlauf in Drehrichtung gesehen degressiv auszugestalten. Selbstverständlich ist es denkbar, auch den gesamten Bereich der Schließrampe B₂-B₄ in seinem Verlauf kontinuierlich degressiv zu gestalten.

Bezugszeichenliste

b Breite Leckspalt [mm]
d_m mittlerer Leckspaltdurchmesser [mm]
AW Absinkwert allgemein [sec/mm]
AW_max größter Absinkwert (langsamstes Absinken) [sec/mm]
AW_min kleinster Absinkwert (schnellstes Absinken) [sec/mm]
h_R Höhe Schließrampe B₂-B₄ [mm]
B₁ Ablaufflanke
B₂-B₄ Schließrampenbereich
B₅ Grundkreis
v Schließgeschwindigkeit [µm/°NW]
v_D Durchschnittsschließgeschwindigkeit [µm/°NW]
°NW Grad Nockenwinkel
1 Spielausgleichselement
2 Tassenstößel
3 Gehäuse
4 Bohrung
5 Druckkolben
6 Stirnseite
7 Boden
8 Boden
9 Federmittel
10 Rückschlagventil
11 Hochdruckraum
12 Nocken
13 Gaswechselventil, Ventilseite
14 Stirnseite
15 Leckspalt
16 Vorratsraum
17 Nockenspitze
18 Außenmantel
19 Zusatzölpfad

Claims

1. Hydraulisches Spielausgleichselement (1), bestehend aus einem hohlzylin drischen Gehäuse (3), in dessen Bohrung (4) ein relativ zum Gehäuse (3) axial beweglicher und gegenüber einem Boden (8) des Gehäuses (3) über Federmittel (9) mit seiner einen Stirnseite (14) abgestützter Druckkolben (5) verläuft, wel cher Druckkolben (5) ein sich in Bodenrichtung öffnendes Rückschlagventil (10) aufweist, wobei zwischen der Stirnseite (14) und dem Boden (8) ein Hochdruck raum (11) für ein Servomittel wie Hydraulikmittel positioniert ist, der über das Rückschlagventil (10) aus einem vom Druckkolben (5) zumindest abschnitts weise umschlossenen Vorratsraum (16) mit dem Servomittel versorgbar ist, wobei zwischen der Bohrung (4) und einem Außenmantel (18) des Druckkol bens (5) ein Leckspalt (15) für das Servomittel gebildet ist und wobei ein Boden (7) eines das Spielausgleichselement (1) wahlweise umschließenden Gehäuses (2) von wenigstens einem Nocken (12) einer Nockenwelle im Hubsinn beauf schlagt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Leckspalt (15) jedes diskreten Spielausgleichselements (1) eine derartige Breite (b) bzw. einen solchen Strömungswiderstand aufweist, daß unter Norm bedingungen für ein Verhältnis dessen Absinkwertes (AW) [sec/mm] von Druck kolben (5) zu Gehäuse (3) zu einem mittleren Leckspaltdurchmesser (d_m) [mm] bezogen auf eine Ventilseite (13) in etwa gilt: und wobei die Normbedingungen determiniert sind durch eine Kraftbeauf schlagung von Druckkolben (5) zu Gehäuse (3) von 1.500 N, eine kinematische Viskosität des Servomittels von 70±5 mm²/s und eine Temperatur von 20°C.

2. Spielausgleichselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Quotient aus den Extrema einer Streuung der Absinkwerte (AW_max, AW_min) aller Spielausgleichselemente (1) gleicher Dimensionierung zumindest jeder einzel nen Brennkraftmaschine im Bereich von ca. liegt.

3. Spielausgleichselement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leckspalt (15) am Spielaus gleichselement (1) deutlich breiter und/oder kürzer gegenüber einem bisherigen Leckspalt eines Spielausgleichselements gleicher Dimensionierung für einen gleichen Brennkraftmaschinentyp hergestellt ist und/oder daß aus dem Hoch druckraum (11) ein Zusatzölpfad (19) wie eine Bohrung führt.

4. Spielausgleichselement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Ventilseite (13) bezogen eine Höhe (h_R) einer einem Grundkreis (B₅) des Nockens (12) in Drehrichtung unmittelbar vorgeordneten Schließrampe (B₂-B₄) in etwa 0,35 mm mit einer dem jeweiligen Gaswechselventil (13) wahlweise übermittelten Schließgeschwindigkeit (v) von ca. 40-0 µm/°NW ist, wobei wahlweise für eine auf eine Länge der Schließrampe (B₂-B₄) bezogene Durchschnittsschließgeschwindigkeit (v_D) des Gaswechselventils (13) in etwa gilt: 15 µm/°NW v_D < 40 µm/°NW.

5. Spielausgleichselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich (B₃) der Schließrampe (B₂ bis B₄), in welchem statistisch gesehen ein häufigstes Schließen des Gaswechselventils (13) statt findet, in seinem Verlauf annähernd geschwindigkeitskonstant ausgelegt ist, wobei beidseitig des geschwindigkeitskonstanten Bereichs (B₃) liegende Berei che (B₂, B₄) in ihrem dem Gaswechselventil (13) übermittelten Geschwindig keitsverlauf in Drehrichtung gesehen degressiv ausgebildet sind.