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Antriebsvorrichtung, insbesondere für Ventilsteuerungen von Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einem Selbsteinstellgetriebe
zum Ausgleich der Längen- oder Lagenänderungen der Antriebsteile, insbesondere für
Ventilsteuerungen von Brennkraftmaschinen.
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Der Erfindung gemäß erfolgt die Verteilung der Antriebskraft nur zu
einem Teil über das Selbsteinstellgetriebe, um dieses zu entlasten, es empfindlicher
und leichter zu machen. Zu diesem Zweck wird mit dem Selbsteinstellgetriebe, das
hydraulisch arbeitet, ein mechanisches Getriebe in der Weise vereinigt, daß der
größere Teil der Antriebskraft durch das mechanische Getriebe und der kleinere Teil
der Antriebskraft durch das hydraulische Getriebe übertragen wird.
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Zweckmäßig besteht das mechanische Getriebe aus zwei die selbsttätige
Einstellung bewirkenden Keilen, die so angeordnet sind, daß sie durch das hydraulische
Getriebe beeinflußt werden.
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Bei rein mechanischen Ventilsteuergetrieben ist es bekannt, in das
Steuergestänge zwei im Winkel zueinander angeordnete Keile einzuschalten, jedoch
nur zu dem Zweck, nach Bedarf von Fall zu Fall das Spiel einstellen zu können. Auch
sind an sich hydraulische, selbsttätig einstellbare Ventilantriebe bekannt.
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Die Zeichnungen veranschaulichen einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes,
und zwar zeigen Abb. i bis 7 eine Ausführungsform, Abb. i die gesamte Antriebsvorrichtung
und das Ventil, Abb.2 bis 7 Einzelteile der Antriebsvorrichtung, Abb. 8 ein Ausführungsbeispiel
für Hochdruck und Abb.9 eine weitere abgeänderte Ausführungsform.
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In Abb. i handelt es sich um ein Einlaß-oder Auslaßventil 4, das gewöhnlich
von einer Feder 6 auf den Sitz 3 im Zylinderkopf 2 gedrückt wird. Zum Öffnen des
Ventils dienen, wie üblich, ein mit seiner Nabe 8 auf einer hohlen Welle 9 gelagerter
Schwingarm 7 und eine vom Steuernocken angetriebene Stoßstange 14. Das dieser zugekehrte
Ende z2 des Schwingarmes ist zum Einbau der sich selbst einstellenden Teile als
Hohlzylinder 13 ausgebildet. Der Zylinder 13 hat an seinem inneren Ende einen Öleinlaß
mit Ventilsitz 2o, von dem ein Ölkanal 2i zu einer ringförmigen Ölzuführungsnut
22 entweder in der Nabe 8 des Schwingarmes führt, oder es ist im Schwingzapfen 27
eine Nut 28 vorgesehen (Abb. 3). Die Nut 22 steht über eine radiale Bohrung 23 in
der Wandung der hohlen Achse 9 mit deren Axiälbohrung 24 in Verbindung, durch die
Schmiermittel zugeführt werden. Den Rückfluß des Öles aus dem Zy-_ linder 3o in
den Kanal 2i verhindert ein Rückschlagkugelventil 3o. Der an das Rückschlagventil
anschließende Raum 3 i des Zylinders 13 bildet eine Niederdruckausgleichkammer
und ist nach außen durch einen Kolben 36 abgeschlossen. Neben der Kugel 30 liegt
ein Ring 32, der einerseits als Anschlagstelle
für die Kugel 3o,
andererseits als Stütze für eine Feder 3-5 (vgl. auch Abb. 5) dient und eine Aussparung
33 aufweist (Abb. 7), in der sich die Kugel 3o begrenzt bewegen und durch die das
öl zur Kammer 31 strömen kann.
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In der Stellung nach Abb. i ist die Kugel 30 vom Drucköl in
der Kammer 31 auf ihren Sitz gepreßt, während die Abb. 6, 8'und 9 die Lage der Kugel
bei druckloser oder ölfreier Kammer 31 zeigen. In dieser Lage verhindert der Ring
32, daß die Kugel 30 zu weit vom Sitz 2o abfällt.
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Der Ring 32 hat einen Ansatz 34 (Abb. 7) für die Lagerung der Feder
41. Die Feder belastet also nicht die Ventilkugel 30, so daß das Ventil 20,
30 sehr empfindlich ist und sich bei geringem Unterdruck öffnet, damit C51
in, die Kammer 31 leicht eintreten kann. Für die Lagerung des anderen Federendes
ist der Kolben 36 mit einem Ansatz 37 versehen. , An den Kolben 36 schließt sich
ein äußerer Kolben 38 mit einer Keilfläche 39 an, die gegen die Kolbenachse unter
einem Winkel von ungefähr 2o° geneigt ist. (Der Kolben 38
braucht im Zylinder
13 nicht öldicht abzuschließen.) Die Keilform des Kolbens 38 hat den Zweck, den
Rückdruck der Kolben 36, 38 auf die Ölfüllung der Kammer 31 herabzusetzen, damit
in dieser nur Niederdruck zu herrschen 'braucht. Es wird also nur ein Teil des Drukkes
der Stange 14, welcher der Spannung der Feder 6 und dem -Beschleunigungsdruck auf
das Ventil 4 entspricht, auf das Öl in der Kammer 31 übertragen. Der Winkel der
Keilfläche 39 kann etwa zwischen den Grenzen 15 und 30° liegen, von denen die untere
Grenze in der Nähe des Reibungswinkels liegt, während die obere Grenze so gewählt
ist, daß der Öldruck im, der Kammer 31 nicht zu groß wird.
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'Es ist wichtig, daß die Feder 315 und die zu ihrer Lagerung dienenden
Ansätze 34 und 37 in der Stellung nach Abb. 6, die Kammer 31 vollständig ausfüllen,
d. h. daß bei völliger Zusämmendrückung der Feder alle Luft aus der Kammer ausgepreßt
ist. Es soll also beim Einwärtsbewegen der Kolben 36, 38 zur Vorbereitung
des Einsaugens von öl aus dem Kanal 2i die luftleer gemacht werden. Dabei treffen
die Ansätze 34 und 37 aufeinander, und die einzelnen Federgänge bilden, wenn die
Feder, wie dargestellt, rechteckigen Querschnitt hat; einen vollen Zylinder, so
däß die Feder und die Ansätze die Kammer 31 gänzlich ausfüllen (Abb. 6).
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Bei einer Feder mit rundem Querschnitt ist die Entlüftung der Kammer
zwar nicht so vollständig, die Lufteinschlüsse sind aber äußerst gering. Erwünscht
ist es aber,. alle Luft auszutreiben, damit sich nicht eine Öl-Luft-Emulsion bilden
kann, die zusammendrückbar ist, während reines (keine Lufteinschlüsse enthaltendes)
öl auf Druck wie ein fester Körper wirkt.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den Kolben 36 öldicht in den
Zylinder 13 einzusetzen und an der Kolbenoberseite einen Entlüftungskanal 29 von
einigen hundertstel Millimetern Durchmesser am äußeren Umfang der Kolben 36 und
38 frei zu lassen (in Abb. i und 5 übertrieben groß dargestellt). Am Kolben 38 kann
der Kanal 29 fortgelassen werden, da der Kolben 38 nicht öldicht abzuschließen braucht,
die Luft also an ihm entlang austreten kann.
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Wesentlich ist ferner, daß die Kammer 31 geringsten Rauminhalt, d.
h. der Kolben 36 einen nur kleinen Hub hat, denn je kleiner das Gesamtvolumen der
Kammer 31 ist, desto mehr wird die Wirkung etwaiger Lufteinschlüssv herabgesetzt.
Es kann - auch beim Versagen der zum Luftaustreiben dienenden Mittel - in einer
auf ein Mindestmaß beschränkten Kammer 31 nicht genügend Luft zurückbleiben, um
das Öl in der Kammer merklich zusammendrückbar zumachen.
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Mit der Keilfläche 39 des Kolbens 38 wirkt die entsprechend keilförmig
abgeschrägte Fläche 45 eines Druckstückes 44 zusammen, das auf dem Kugelkopf 47
der Stoßstange 14 aufliegt und in einer Bohrung der Wandung des Zylinders 13 auf
und ab beweglich geführt ist. Die Reibflächen 39 und 45 können mit Ölnuten versehen
werden (Abb. 6).
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Die Antriebsvorrichtung arbeitet folgendermaßen: Die Stoßstange 14
erfährt von dem Nocken eine ruckartige Bewegung, die sich in plötzlichem Öffnen
des Ventils 4 auswirkt. Die Übertragung der Antriebskraft auf den Schwingarm 7 erfolgt
über die Keilstücke 44 und 38 und wird deshalb in zwei Komponenten zerlegt: In eine
Komponente, etwa in Richtung der Stoßstange, die dem Arm 7 die Schwenkung um seine
Achse 9 erteilt, und in eine etwa quer gerichtete Komponente, die dem Kolben 36
einen Einwärtshub erteilt und damit auf das in der Kammer 31 eingeschlossene öl
übertragen wird. Da der Keilwinkel der Flächen 39, 45 verhältnismäßig flach ist,
so wird die etwa senkrechte Komponente größer als die waagerechte, d. h. der größere
Teil der Stangenkraft geht direkt auf den Schwingarm über, während die Belastung
des Öles für der Kammer 31 gering, aber ausreichend ist, um eine Rückwärtsbewegung
des Kolbens 38 und des Ölkolbens 36 nach dem Ventil 3o hin zu verhindern.
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Das Größenverhältnis der beiden Komponenten ist abhängig von dem Keilwinkel.
Dieser
wird so gewählt, daß die Reibung zwischen den Keilflächen nicht ausreicht, um die
Keile gegen relative Bewegung festzustellen. Andererseits wird der Winkel klein
genug gewählt, damit in der Kammer 31 nicht zu hoher Druck entsteht. Bei kleinerem
Druck besteht für das Öl weniger die Neigung, aus der Kammer auszutreten und zu
emulgieren, d. h. sich mit Luft zu mischen. Je stärker das Z51 mit Luft gemischt
oder durchsetzt ist, desto stärker kann es verdichtet werden.
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Da der Arbeitsdruck auf das Öl in der Kammer 31 wegen des verhältnismäßig
flachen, aber nicht selbsthemmenden Keilwinkels erheblich herabgesetzt wird, so
besteht wenig Gefahr, daß das Öl aus der Kammer 31 heraussickert. Weiter ist aus
diesem Grunde der Einwärtshub des Keilkolbens 38, sehr klein oder praktisch gleich
Null. Außerdem hat das Öl wegen der niedrigen Pressung in der Kammer 31 weit weniger
die Neigung, sich infolge von Stößen und Wirbelungen zu emulgieren. Gerade diese
Neigung hat bisher große Schwierigkeiten verursacht, weil die unaufhörlichen Stöße
auf das unter hohem Druck stehende Öl nicht nur bestrebt sind, dieses aus der Kompressionskammer
herauszutreiben, sondern auch dazu führen, daß das eingeschlossene Gas oder die
Luft mit dem Öl eine Emulsion eingeht und es dann seine Eigenschaft verliert, unverdichtbar
zu sein.
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Beim Anwerfen des Motors drückt die Feder 35 den Öldruckkolben 36
auswärts, so daß das Kugelventil 30 sich öffnet und aus dem Kanal 21 in die
Kammer 3,1 Öl eingesaugt wird. Wenn dieser Füllvorgang vollendet ist, so wird das
Kugelventil 30 sofort wieder geschlossen, so daß die eingesaugte Ölmenge
in der Kammer 31 eingeschlossen ist. Erwärmt sich die Maschine, so werden die Stoßstange
14 und die Ventilstange 5 und die anderen Teile länger als in dem vorher kalten
Zustande. Das Ventil 4 hat jetzt die Neigung, nicht vollständig zu schließen. Dieser
Neigung wird durch die Selbsteinstellung infolge eines Ausgleichs begegnet, der
sich wie folgt ergibt: Die allmählicheVerlängerung (Wärmeausdehnung) der Teile hat
zur Folge, daß die Ventilfeder 6 das Ventil gegen die Ausgleichsglieder drückt.
Andererseits wird von dem Nocken 15 ein Gegendruck ausgeübt, der durch den Beschleunigungsdruck
der schnell bewegten Teile unterstützt wird. Durch diese Drucke wird das Keilstück
44 veranlaßt, sich an der Keilfläche 39 ein wenig aufwärts zu bewegen und dadurch
den Kolben 38 allmählich einwärts und die Feder 35 zusammenzudrücken. Das Keilstück
44 verschiebt sich der Verlängerung der Stangen 14 und 5 entsprechend einige hundertstel
Millimeter in den Arm 12 hinein. Das Öl kann aus der Kammer 31 an dem Kolben 36
vorbei heraussickern.
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Werden umgekehrt die Teile wegen Tern peratursenkung oder Abnutzung
kürzer, so treibt die Feder 35 die Kolben 36 und 38_auswärts, und die Keilfläche
39- drückt das Keilstück 44 entsprechend aus dem Arm 12 heraus. Dadurch wird irgendwelches
Spiel aufgehoben. Wenn sich die Kolben 36, 38 auswärts bewegen, so hebt sich sofort
die Kugel 30 von ihrem Sitz 2o ab, so daß aus dem Kanal 21 in die Kammer
31 so viel Öl nachfließt, wie der Volumenzunahme der Kammer entspricht. Sobald die
Feder 35 alles Spiel aufgehoben hat, steigt der Druck in der Kammer 31, und die
Kugel 30 legt sich wieder auf ihren Sitz auf.
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Es sei hervorgehoben, daß der Keilkolben 38 sich z. B. mehrere hundertstel
Millimeter weiter und schneller auswärts bewegt, als die Längenänderung der Stangen
14 oder 5 beträgt. Da der Keilwinkel der Flächen 39, 45 klein ist, so beträgt der
Weg des Kolbens 38 ein Mehrfaches der von der Stoßstange oder der Ventilspindel
zurückgelegten Wege. Wenn sich z. B. die Stoßstange 14 nur um ein hundertstel Millimeter
verkürzt, so bewegt sich der Kolben 38 mehrere hundertstel auswärts, damit sich
das Ventil 30 von seinem Sitz sofort abhebt und Öl in die Kammer 31 eintritt.
Dieses Öl wird in der Kammer eingeschlossen und bildet mit dem schon vorhandenen
Öl eine gleichsam feste, unverdichtbare Masse, so daß bei der nächsten Umdrehung
der Nockenscheibe die Ölmasse wieder die Antriebskraft auf das Ventil 45 überträgt
und dessen Feder 6 zusammenpreßt. Dabei verhindert die eingeschlossene Ölmenge,
daß sich der Kolben 38 im Arm 12 einwärts bewegt.
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Ein Ausführungsbeispiel für Hochdruck zeigt Abb. B. Beim Übergang
zum Hochdruck ist der Winkel der Keilflächen 39 und 45 zu ändern. Der Winkel beträgt
in diesem Beispiel etwa 45°, so daß die volle Belastung auf das 01 in der
Kammer 55 übertragen, also in der Kammer Hochdruck erzeugt wird. Der Hub des Druckstückes
52 ist hier gleich dem des Kolbens 5-3 und der Öldruck entsprechend vergrößert,
d. h. der Gesamtdruck auf das 01 etwa gleich dem Gesamtdruck der Stange 56,
abgesehen von Verlusten durch Reibung.
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Es können also durch den Keilwinkel Hübe und Kräfte geregelt werden.
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Bei der weiteren Ausführungsform nach Abb.9 ist der Arm so ausgebildet,
daß die Keilstücke 6o und 61 und die anderen beweglichen Teile vor Einsetzen des
Schwingarmes 59 in die Maschine eingesetzt und dann festgehalten werden. Sie bleiben
also in dem Arm, wenn z. B. die Stoßstange 62 oder die
Ventilstängge_
entfernt werden. Ein -Herausschieben der Teile aus dem Schwingarm durch den Druck
der Feder-63 wird nämlich in besonders einfacher und billiger Weise verhütet, indem
das Keilstück 61 in eine Führung 64 eingesetzt ist, - die länger ist als
dessen Arbeitshub. Ein Anschlag 65, der durch Einwärtsbiegen des unteien Führungsrandes
gebildet oder` auch besonders eingesetzt werden kann, verhindert -ein Herausdrücken
des Druckstückes 6i durch die 'Feder 6-3, ebenso ein Herausdrücken des. Kolbens
6o. Der Zusammenbau erfolgt in der Weise, daß man erst die in den Zylinder 58 gehörenden
Teile einführt, dann das Druckstück 61 von unten in die Führung 64 einschiebt und
hierauf den Anschlag 65 durch Einwärtsbiegen bildet. Es genügt, .den Anschlag so
herzustellen, da es praktisch kaum vorkommt, daß der Arm wieder auseinandergenommen
werden muß.