DE19641811A1

DE19641811A1 - Ventilanordnung für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE19641811A1
Application number: DE19641811A
Authority: DE
Inventors: Jun George Fredric Leydorf; Michael Joseph Schrader
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1995-11-06
Filing date: 1996-10-10
Publication date: 1997-05-07
Also published as: US5577470A; GB2307003B; GB9622676D0; GB2307003A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für Verbrennungsmotoren mit nicht-drehbaren Kipphebelachsen zum Lagern von Kipphebeln oder Schlepphebeln, welche Einlaß- oder Auslaßventile, vorzugsweise Pilzventile, betätigen.

Bei der Auslegung einer Ventilanordnung oder eines Ventil triebsmechanismus eines Verbrennungsmotors, der für hohe Drehzahlen ausgelegt sein soll, ist es erforderlich, die bei der maximalen Drehzahl auftretenden Komponentenauslenkungen zu begrenzen. Größenordnungsmäßig könnten als Grenzwerte für die Auslenkung eines Kipphebels an der Ventilspitze 0,038 mm (0,0015 inches) und für die Auslenkung der Kipphebelachse bei der Lagerung der Kipphebelachse 0,019 mm (0,00075 inches) an gesehen werden. Bei Motoren mit zylindrischen Kipphebelachsen ist es bekannt, diese im Gleitsitz in einer im Zylinderkopf ausgebildeten runden Lagerbohrung zu lagern. Hierbei entste hen Probleme, da infolge von Toleranzen eine Bewegung der Kipphebelachse in der vorstehend genannten Größenordnung mög lich ist. Dies ist unerwünscht, da jeder Verlust an Stei figkeit aufgrund von Flattern oder Bewegung von Teilen der Ventilanordnung die maximal zulässige Betriebsgeschwindigkeit der Ventilanordnung verringert. Die vorliegende Erfindung verringert dieses Problem, indem sie eine Lagerung für eine Kipphebelachse an drei Umfangsstellen vorschlägt, welche etwa gleich beabstandet sind. Gemäß der Erfindung wird die Kipphe belachse robust gelagert, und zwar im wesentlichen unabhängig von Abmessungstoleranzen der Kipphebelachse und der Lagersät tel. In herkömmlichen Sattellageranordnungen, in welchen eine nicht-drehbare Kipphebelachse in einem halbkreisförmigen Sat tel angeordnet ist, muß der Durchmesser des Sattels so bemes sen sein, daß die Achse nicht ausschließlich auf dem Boden des Sattels allein aufliegt, da in diesem Falle die Achse bei Auftreten einer von den Kipphebelachsen und Ventilfedern auf gebrachten Seitenbelastung selbst frei hin und her pendeln könnte. Die Achse sollte auch nicht zwischen den oberen Kan ten des Sattels eingequetscht sein, da dies zu unerwünschten Spannungen sowohl in dem Sattel als auch in der Achse führt. Es ist daher außerordentlich schwierig, einen halbkreisförmi gen Sattel und eine Achse mit geeignet ausgebildeten Durch messern bei einer Massenproduktion von Motoren herzustellen. Bei Einsatz der vorliegenden Erfindung wird dieses bei be kannten Anordnungen auftretende Fertigungsproblem vermieden.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Eine Ventilanordnung eines Verbrennungsmotors weist mehrere Einlaß- und Auslaßventile, vorzugsweise Pilzventile, mehrere Kipphebel für die Betätigung der Ventile, einen die Ventile aufweisenden Zylinderkopf und mindestens eine fixierte Kipphebelachse für die Lagerung der Kipphebel auf, wobei die Kipphebelachse eine zylindrische Außenoberfläche aufweist. In einer Außenoberfläche des Zylinderkopfes sind mehrere Sät tel für eine nicht-drehbare Montage der Kipphebelachse vorge sehen, wobei die Sättel jeweils gegenüberliegende gekrümmte Auflageflächen aufweisen, welche ein im wesentlichen halb kreisförmiges Lager für die Kipphebelachse bilden. Jede Auf lagefläche ist konkav und weist einen Krümmungsradius auf, welcher größer als der Außenseitenkrümmungsradius der Kipphe belachse ist, wobei der Mittelpunkt des Krümmungsradius jeder Auflagefläche in entgegengesetzter Richtung zu der Mit tellinie der Achse in der Weise verschoben ist, daß die Achse und die Auflageflächen in einem Bereich in der Nähe des Bogenmittelpunktes jeder Auflagefläche in Linienkontakt ste hen. Die gekrümmten Auflageflächen weisen bevorzugt eine von einem invarianten Krümmungsradius erzeugte Kreisform auf.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Schmiermittelversorgungseinrichtung mit einem Schmier mittelkanal vorgesehen, der sich von einer Schmiermittelver sorgungsanordnung des Motors aus durch die konkave Oberfläche mindestens einer Auflagefläche im Bereich des Linienkontaktes zwischen der Auflagefläche und der Kipphebelachse hindurch erstreckt. Das Schmiermittel kann durch den Schmiermittelka nal und eine in der Kipphebelachse ausgebildete Öffnung in einen Innenraum der Kipphebelachse eintreten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kipp hebelachse als Hohlzylinder mit einem sich axial er streckenden Innenkanal ausgebildet, durch den Schmieröl zu den Kipphebeln transportierbar ist.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfes mit einer Ventilanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung und

Fig. 2 eine schematische Teildarstellung einer Kipp hebelachsen-Lagerungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Gemäß Fig. 1 weist eine Ventilanordnung eines Verbrennungsmo tors eine Vielzahl von auf einem Zylinderkopf 10 angebrachten Komponenten auf. Dabei wird jeder Zylinder von zwei Einlaß ventilen 12 und einem Auslaßpilzventil 14 betätigt. Jedes Einlaßventilepaar 12 für einen bestimmten Zylinder wird von nur einem Einlaßkipphebel 17 betätigt, welcher gegabelt ist und mit beiden dem jeweiligen Zylinder zugeordneten Einlaß ventilen 12 in Kontakt steht. Jeder Einlaßkipphebel 17 wird in herkömmlicher Art mittels einer (nicht dargestellten) Stößelstange angetrieben, welche sich von einer in einem un teren Teil des Motors angeordneten Nockenwelle nach oben er streckt. Die Einlaßkipphebel 17 sind auf einer Einlaßkipphe belachse 16 gelagert, welche im Detail in Fig. 2 dargestellt ist.

Die Auslaßventile 14 werden von Auslaßkipphebeln 19 betätigt, welche mittels sekundärer Stößelstangen 25 betätigt werden, die sich quer über die Oberseite des Zylinderkopfes zwischen dem Auslaßkipphebel 19 und einem Zwischenkipphebel 21 er strecken, dessen Funktion darin besteht, als Winkelhebel zwi schen einer sekundären Stößelstange 25 und einer (nicht dar gestellten) primären Stößelstange zu dienen, die sich zwi schen dem Zwischenkipphebel 21 und der Nockenwelle erstreckt.

Wie ohne weiteres ersichtlich, wird bei der vorliegenden An ordnung sowohl auf die Einlaßkipphebelachse 16 als auch die Auslaßkipphebelachse 18 eine beträchtliche Seitenbelastung ausgeübt. Wie bereits erwähnt, ist es erforderlich, eine prä zise Lagergeometrie beider Kipphebelachsen einzuhalten, um einen einwandfreien Betrieb sowohl der Einlaß- als auch der Auslaßventile insbesondere bei höheren Motordrehzahlen zu ge währleisten. Eine solche präzise Geometrie wird besonders vorteilhaft mit dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau verwirk licht. In der Oberfläche des Zylinderkopfes 10 sind mehrere Sättel 20 ausgebildet, welche Einrichtungen zur nicht drehba ren Lagerung der Einlaßkipphebelachse 16 und der Auslaßkipp hebelachse 18 darstellen. Jeder Sattel weist ein Paar ge krümmter Auflageflächen 22 und 24 auf. Die gekrümmte Auflage fläche 22 weist eine konkave Oberfläche 22a uns die gekrümmte Auflagefläche 24 eine konkave Oberfläche 24a auf. Diese bei den konkaven Oberflächen können durch einen Längsdurchlauf eines Formwerkzeuges, wie z. B. eines Fräskopfes oder eines anderen Schneidwerkzeuges, das eine kreisförmige Oberfläche erzeugen kann, hergestellt werden. Die gekrümmte Auflage fläche 22 hat einen Radius R₂₂ und die Auflagefläche 24 einen Radius R₂₄. Diese Krümmungsradien sind in diesem Falle gleich und haben beide einen Wert, der größer ist als der Außensei tenradius der Kipphebelachse 16.

Gemäß Fig. 2 ist der Mittelpunkt C₁ der gekrümmten Auflage fläche 22 gegenüber den Mittellinien C₃ und C₄ der Kipphebel achse 16 in der Weise verschoben, daß die Kon taktaufstandsfläche zwischen der Außenoberfläche der Kipp hebelachse 16 und der konkaven Oberfläche 22a ein Linienkon takt ist, der an der Stelle L₂₂ auftritt, welche der Bogen mittelpunkt der konkaven Oberfläche 22a ist. In ähnlicher Weise ist der Mittelpunkt C₂ der gekrümmten Oberfläche 24a in eine entgegengesetzte Richtung von der Mittellinie der Achse 16 versetzt, so daß sich ein mit L₂₄ bezeichneter Linienkon takt ergibt. Wie im Falle von L₂₂ ist der Linienkontakt L₂₄ in einer Winkelposition von 45° zur vertikalen Mittellinie der Kipphebelachse 16 angeordnet. Da der Kontakt zwischen dem Sattel 20 und der Achse 16 aus zwei Linien L₂₂ und L₂₄ be steht, die an den Bogenmittelpunkten der gekrümmten Auflage flächen 22 und 24 liegen, kann die Achse 16 zuverlässig, wie derholbar und robust in ihrer gewünschten Position plaziert werden. Diese Position kann weitgehend unabhängig von sich akkumulierenden Fertigungstoleranzen eingehalten werden. Da durch werden die bei anderen Lagerungsanordnungen auf tretenden Probleme vermieden, bei denen versucht wurde, den Außendurchmesser einer Achse, wie z. B. der Achse 16, eng an den Innendurchmesser einer Bettplatte oder eines Sattels, wie z. B. des Sattels 20, angepaßt zu halten. Dies scheiterte vielfach aufgrund der Tendenz der Achse, entweder eng gegen den Boden des Sattels oder an die Oberkanten des Sattels ge drückt zu werden, denn bei am Boden aufliegender Kipphebel achse tendiert diese dazu, in dem Sattel zu pendeln, und bei an der Oberseite des Sattels eingekeilter Kipphebelachse kann durch die Kipphebelachse selbst und ihr Befestigungssystem eine übermäßige Spannung sowohl in dem Sattel als auch in der Kipphebelachse selbst auftreten.

Beide Kipphebelachsen 16 und 18 werden in ihren entsprechen den Sätteln mittels Halteschrauben 34 und Klammern 36 gehal ten. Jede Schraube 34 weist eine Lastaufnahmefläche 34a in Kontakt mit der Klammer 36 auf, welche selbst eine gekrümmte Kontaktoberfläche 36a aufweist, die den Kontakt zu der Außen oberfläche der Kipphebelachse 16 herstellt. Das Befestigungs element 34 tritt durch eine Vertiefungsnut 26 hindurch, wel che durch einen Fräsvorgang oder anderweitig in die untere Oberfläche des Sattels 20 eingebracht ist. Durch die Kombina tion des gekrümmten Kontaktbereiches der Klammer 36 mit der Achse 16 als auch durch den Kontakt der Achse 16 mit den ge krümmten Oberflächen 22a und 24a wird die Achse 16 fest in dem Zylinderkopf 10 gelagert. Es ist ersichtlich, daß die Kontaktstruktur zwischen der Kipphebelachse 16 und der Klam mer 36 nur als ein Linienkontakt auf einer Seite des Befesti gungselementes 34 ausgebildet sein muß, um die Kipphebelachse sicher an den Sätteln 20 zu befestigen. Weiterhin ist er sichtlich, daß die Klammern 36 präzise durch Schrauben 34 ausgerichtet werden können, indem die Klammern 36 auf den oberen Abschnitten der Schäfte der Schrauben 34 geführt wer den. Die Klammern 36 halten nicht nur die Kipphebelachsen 16 und 18 in ihren Sätteln, sondern bilden auch Anschlagflächen, um die verschiedenen Kipphebel in ihren gewünschten axialen Stellungen zu halten.

Bei dem Zylinderkopf sind bevorzugt Schraubenstege 38 vorge sehen, welche von Zylinderkopfschrauben 40 durchfaßt werden, wodurch sowohl Platz für die Sättel 20 als auch Gewindebohrungen 35 für die Befestigungselemente 34 be reitgestellt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung dient ein Zylinderkopfschmiermittelkanal 28 dazu, durch eine in der Einlaßkipphebelachse 16 ausgebildete Öffnung 30 Schmier mittel, z. B. Motoröl, zuzuführen. Nach dem Durchströmen der Öffnung 30 strömt das Schmiermittel in eine Bohrung 32, wel che das Innere der Kipphebelachse 16 bildet. Das Schmiermit tel kann durch die Durchgangsbohrung 32 und dann durch ge eignet angeordnete (nicht dargestellte) Auslaßöffnungen strö men, um auf diese Weise die Einlaßkipphebel 17 zu schmieren. Die Auslaßkipphebelachse 18 weist eine ähnlich axial ausge richtete Bohrung zur Zufuhr von Öl zu den Kipphebeln 19 auf.

Im Rahmen der Erfindung sind vielfache Abwandlungen und Modi fikationen möglich. Beispielsweise könnte die vorliegende Er findung auch bei Motoren mit obenliegender Nockenachse mit auf einer gemeinsamen Schlepphebelachse gelagerten Schlepphe beln Anwendung finden.

Claims

1. Ventilanordnung eines Verbrennungsmotors, mit:
mehreren Einlaß- und Auslaßventilen (12, 14), vorzugs weise Pilzventilen,
mehreren Kipphebeln (17, 19) für die Betätigung der Ven tile,
einem die Ventile aufweisenden Zylinderkopf (10), mindestens einer fixierten Kipphebelachse (16, 18) für die Lagerung der Kipphebel, wobei die Kipphebelachse eine zylindrische Außenoberfläche aufweist, und
mehreren in einer Außenoberfläche des Zylinderkopfes ausgebildeten Sätteln (20) für eine nicht-drehbare Lage rung der Kipphebelachse, wobei die Sättel jeweils gegenüberliegende, gekrümmte Auflageflächen (22, 24) auf weisen, welche eine im allgemeinen halbkreisförmige La gerung für die Kipphebelachse bilden, wobei jede Aufla gefläche konkav ist und einen Krümmungsradius (R₂₂, R₂₄) aufweist, welcher größer als der Außenseiten krümmungsradius der Kipphebelachse ist, und wobei der Mittelpunkt (C₁, C₂) des Krümmungsradius jeder Auflage fläche in entgegengesetzter Richtung zu der Mittellinie (C₃) der Achse in der Weise verschoben ist, daß die Achse (16) und die Auflageflächen (22, 24) einen Linien kontakt (L₂₂, L₂₄) in einem Bereich in der Nähe des Bogenmittelpunktes jeder Auflagefläche bilden.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede gekrümmte Auflagefläche (22, 24) eine durch einen invarianten Krümmungsradius erzeugte kreisförmige Form aufweist.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Schmiermittelversorgungseinrichtung vorgesehen ist, welche einen Schmiermittelkanal (28) auf weist, der sich von einer Schmiermittelversorgungsanord nung des Motors aus durch die konkave Oberfläche minde stens einer Auflagefläche an der Stelle des Linienkontak tes (L₂₄) zwischen der Auflagefläche und der Kipphebel achse (16) und dann durch eine in der Kipphebelachse aus gebildete Öffnung (30) hindurch und in einen Innenraum der Kipphebelachse hinein erstreckt.

4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipphebelachse (16) als Hohlzylin der ausgebildet ist, der einen sich axial erstreckenden Innenkanal (32) zum Zuführen von Schmieröl zu den Kipphe beln aufweist.

5. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättel (20) in Stegen (38) einge arbeitet sind, welche von Schrauben (40) für die Befesti gung des Zylinderkopfes (10) an einem Zylinderblock des Motors durchfaßt sind.

6. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Befestigungselemente (34) vorgesehen sind, welche sich jeweils zuerst durch eine Klammer (36) und dann durch die Kipphebelachse (16) hin durch und in die Sättel erstrecken, wobei jede Klammer mit einer gekrümmten Oberfläche (36a) in der Weise in Kontakt mit der Außenoberfläche der Kipphebelachse steht, daß diese in Kontakt mit den Sätteln ist.

7. Ventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Klammer (36) dazu dient, mindestens einen Kipphe bel (17, 19) axial zu lagern.

8. Ventilanordnung eines Verbrennungsmotors, mit:
mehreren Einlaß- und Auslaßventilen (12, 14), vorzugs weise Pilzventilen,
mehreren Kipphebeln (17, 19) für die Betätigung der Ven tile,
einem die Ventile aufweisenden Zylinderkopf (10),
mindestens einer fixierten Kipphebelachse (16, 18) für die Lagerung der Kipphebel, wobei die Kipphebelachse eine zylindrische Außenoberfläche und eine zylindrische Innenbohrung (32) aufweist,
mehreren in einer Außenoberfläche des Zylinderkopfes ausgebildeten Sätteln (20) für eine nicht-drehbare Lage rung der Kipphebelachse, wobei die Sättel jeweils eine Basisvertiefungsnut und gegenüberliegende gekrümmte Auflageflächen (22, 24) aufweisen, welche zusammengenom men eine im allgemeinen halbkreisförmige Oberfläche für die Lagerung der Kipphebelachse bilden, wobei die Aufla geflächen konkav sind und einen Krümmungsradius (R₂₂, R₂₄) aufweisen, welcher größer als der Außenseiten krümmungsradius der Kipphebelachse ist, und wobei der Mittelpunkt (C₁, C₂) des Krümmungsradius jeder Auflage fläche in einer anderen Richtung von dem Mittelpunkt der Achse in der Weise verschoben ist, daß die Achse in Li nienkontakt (L₂₂, L₂₄) mit den Auflageflächen in Berei chen steht, die um etwa 45° zu den äußeren Enden der Auflageflächen versetzt angeordnet sind, und mit
mehreren Befestigungselementen (34), welche sich jeweils zuerst durch eine Klammer (36) und dann durch die Kipphebelachse (16) hindurch und in die Sättel hinein erstrecken, wobei jede Klammer mit einer gekrümmten Oberfläche (36a) in der Weise Kontakt mit der Außen oberfläche der Kipphebelachse hat, daß diese in Kontakt mit den Sätteln steht.

9. Ventilanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede gekrümmte Auflagefläche eine durch einen invari anten Krümmungsradius erzeugte kreisförmige Form aufweist.

10. Ventilanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Schmiermittelversorgungseinrichtung vorgesehen ist, welche einen Schmiermittelkanal (28) auf weist, der sich von einer Schmiermittelversorgungsanord nung des Motors aus durch die konkave Oberfläche minde stens einer Auflagefläche an der Stelle des Linienkontak tes (L₂₄) zwischen der Auflagefläche und der Kipphebel achse (16) und dann durch eine in der Kipphebelachse aus gebildete Öffnung (30) hindurch und in die zylindrische Innenbohrung (32) der Kipphebelachse hinein erstreckt.

11. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die Sättel (20) in Stegen (38) eingearbeitet sind, welche von Schrauben (40) für die Be festigung des Zylinderkopfes (10) an einem Zylinderblock des Motors durchfaßt sind.