Die Erfindung betrifft ein Koppelgetriebe für eine variable
Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Koppelgetriebe für variable Ventilsteuerungen von Brennkraftmaschinen
sind als vierrädrige Koppelgetriebe seit langem bekannt,
in einer neueren, der vorstehend angesprochenen Art entsprechenden
Ausgestaltung unter anderem aus der DE 19521004 A1.
In Verbindung mit der Anordnung der Ventile und der sie beaufschlagenden
Steuerungselemente einschließlich zugehöriger
Nockenwellen im Zylinderkopf ergeben sich für die Ventilsteuerung
insbesondere bei variabler Ausgestaltung derselben
verhältnismäßig komplizierte Antriebswege, die im Hinblick auf
Erschütterungen der Brennkraftmaschine und in Verbindung mit im
Betrieb der Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen nicht
unkritisch sind, insbesondere, wenn im Antriebsweg der Nockenwellen
im Hinblick auf die variable Ventilsteuerung zusätzlich
mehrrädrige, verstellbare Koppelgetriebe angeordnet sind, zumal
die Antriebswege und die Zuordnung einzelner in diesen Antriebswegen
liegender Elemente zu verschiedenen Teilen der
Brennkraftmaschine auch zu entsprechenden Toleranzen führt, zu
mal die erforderlichen hohen Verstellgeschwindigkeiten auch hohe
Verstellkräfte bedingen.
Entsprechend kritisch und schwierig ist es, unter den gegebenen
Randbedingungen eine feinfühlige, schnelle und spielfreie Verstellung
der Nockenwellen in ihrer Phasenlage zueinander über
das Koppelgetriebe und den diesem zugeordneten Stellantrieb sicherzustellen,
der bei der bekannten Lösung durch eine Schnecke
gebildet ist, die den Abtrieb eines dem Stellantrieb zugehörigen
Stellmotores bildet und die mit einem Schneckenrad kämmt,
über das die Antriebsverbindung zu einer der Koppeln des zu
verstellenden Koppelgetriebes läuft. Diese Antriebsverbindung
möglichst spielfrei zu halten bedingt entsprechend aufwendige
Lagerführungen und vor allem auch eine entsprechende Tolerierung
der zugehörigen Bauteile der Brennkraftmaschine im Verhältnis
zueinander, obwohl eine solche im Hinblick auf die sonstigen
Gegebenheiten der Brennkraftmaschine fallbezogen gegebenenfalls
entbehrlich wäre. Zusätzliche Toleranzprobleme ergeben
sich dabei auch noch dadurch, daß das Koppelgetriebe selbst
mehrteilig aufgebaut ist und seinerseits wiederum in entsprechenden
Teilen der Brennkraftmaschine zu halten bzw. zu lagern
ist, so daß sich insgesamt vielstufige Toleranzketten ergeben
können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stellantrieb für
das Koppelgetriebe zu vereinfachen und im Hinblick auf die vorstehend
aufgezeigten Schwierigkeiten und Probleme auch möglichst
unempfindlich auszugestalten.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1
erreicht, gegebenenfalls ergänzt und weiter ausgestaltet durch
Merkmale der Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung
hat zur Folge, daß sich, auch unter Rückgriff auf handelsübliche
Bauteile hoher Präzision, eine Getriebeverbindung schaffen
läßt, die im Hinblick auf die erforderliche Grundeinstellung
des Ventiltriebes eine einfache Justierung ermöglicht und bei
der die Getriebeverbindung als solche durch die Verwendung einer
Spindel-Mutter-Kombination ohne größeren Aufwand und unabhängig
von den Toleranzen des Umfeldes im Rahmen der für solche
Spindel-Mutter-Kombinationen erzielbaren, geringen Toleranzen
gestaltet werden kann. Etwaige Toleranzen können in der Verbindung
der Mutter zur Koppel praktisch ohne Auswirkungen auf die
Verstellgenauigkeit aufgenommen werden, wobei über eine solche
Verbindung auch eine gewisse Entkopplung im Hinblick auf
Schwingungen zwischen dem Stellantrieb und den Nockenwellen und
dem von diesen getragenen Koppelgetriebe erreicht werden kann.
Die Mutter der erfindungsgemäßen Spindel-Mutter-Kombination
kann im Rahmen der Erfindung als Gewindehülse ausgebildet sein,
wird bevorzugt aber in Verbindung mit der Spindel als Kugelgewindetrieb
oder Rollengewindetrieb ausgestaltet, womit auf
handelsübliche Elemente zurückgegriffen werden kann, die eine
sehr hohe Präzision ermöglichen. Dies umso mehr, als im Rahmen
der Erfindung und des Einsatzes in Brennkraftmaschinen für den
entsprechenden Spindel-Mutter-Trieb durch Anschluß an die Motorschmierung
auch eine Druckölschmierung im Gewinde möglich
ist, die eine zusätzliche Dämpfung und Spielreduzierungen ermöglicht.
Insbesondere gestatten solche Gewindetriebe auch sehr
hohe Übersetzungsverhältnisse, damit den Einsatz hochdrehender,
kleinbauender Stellmotoren und eine feinstufige Einstellung.
Dies bei geringem Bauraumbedarf und sehr kleinem Spiel, womit
alle Voraussetzungen für eine exakte Ventilhub- und Steuerzeitenverstellung
über die zusammenwirkenden Nockenwellen, wie sie
insbesondere im Leerlauf und unterem Teillastbereich notwendig
ist, erreichbar ist.
Die Verbindung zwischen Abtrieb und Koppel, also der Mutter des
Spindel-Mutter-Triebes zur Koppel läßt sich im Rahmen der Erfindung
besonders einfach und genau über einen Rotationskörper
darstellen, der mit quer zur Spindel verlaufender Drehachse in
der Mutter gelagert ist und der eine in Richtung auf die Spindel
verlaufende Führung für ein koppelseitiges, in die Führung
eingreifendes Teil aufweist. Dieses kann beispielsweise bei im
Bereich der Mutter gegabelter Koppel durch einen zur Drehachse
der Koppel parallel verlaufenden Steg gebildet sein.
Im Hinblick auf die geforderte, hochdynamische Verstellbarkeit
bei variablen Ventilsteuerungen sind möglichst geringe erforderliche
Stellkräfte von besonderer Bedeutung, zumal auch der
für Stellmotoren zur Verfügung stehende Raum im Regelfall sehr
eingeschränkt ist. Es erweist sich deshalb als eine bevorzugte
erfindungsgemäße Lösung, wenn die Schwenkachse der zwischen
Koppel und Mutter gegebenen Schwenkverbindung die Spindelachse
senkrecht schneidet, so daß über die Schwenkverbindung von der
Mutter auf die Koppel übertragene Stellkräfte in der Spindelachse
wirken und keine Verkantung der Mutter gegenüber der
Spindel zur Folge haben, womit zusätzlich ein verhakungsfreies
Arbeiten bei möglichst geringer Reibung und bei geringem Verschleiß
erreicht wird. Insbesondere kann erfindungsgemäß die
Schwenkachse durch quer zur Spindelachse liegende Schwenkzapfen
gebildet sein, die bevorzugt einstückig mit der Mutter ausgebildet
sind und denen in der Verbindung zur Koppel Gleitsteine
zugeordnet sind, die in den Gabelarmen der Koppel quer zur
Spindelachse verschieblich geführt sind. Hierbei sind auch die
Gabelarme bevorzugt symmetrisch zur Koppelachse liegend vorgesehen,
so daß auch diesbezüglich keine Quermomente auf die Mutter
aufgebracht werden. Die Verwendung von Gleitsteinen hat zudem
eine großflächige, reibungsarme Abstützung zwischen Mutter
und Koppelarmen zur Folge, so daß auch hier eine sehr verschleißarme
Abstützung gegeben ist, wie sie im Hinblick auf die
bei Brennkraftmaschinen erforderlichen hohen Standzeiten notwendig
ist.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
aus den Patentansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachfolgend
mit weiteren Details anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
- Figur 1
- eine schematisierte, stark vereinfachte Schnittdarstellung
eines Zylinderkopfbereiches einer Brennkraftmaschine
mit senkrecht zur Zeichenebene verlaufender
Achse der Brennkraftmaschine bzw. derer
Nockenwellen,
- Figur 2
- einen Detailausschnitt einer Spindel-Mutter-Kombination
gemäß der Erfindung, ebenfalls vereinfacht,
und von deren Anschluß an die Koppel,
- Figur 3
- eine weitere vereinfachte Darstellung des Koppelgetriebes
mit zugehörigem Stellantrieb über eine Spindel-Mutter-Kombination
in erfindungsgemäßer Ausgestaltung
in Seitenansicht, und
- Figur 4
- einen vereinfachten Schnitt gemäß Linie IV-IV in Figur
3 durch die Verbindung der Mutter mit einer Koppel
des Koppelgetriebes.
Der in Figur 1 insgesamt mit 1 bezeichnete Zylinderkopf ist eine
schematisierte Querschnittsdarstellung im stirnseitigen Bereich,
wobei sich die Darstellung auf eine Brennkraftmaschine
in V-Anordnung bezieht und der dargestellte Zylinderkopf 1 über
dem angedeuteten Zylinderbereich 2 kopfseitig liegt. Der Zylinderkopf
1 umfaßt einen unteren Teil 3 mit der Lagerung für
nicht weiter dargestellte Nockenwellen, deren Achsen mit 4 und
5 bezeichnet sind. Die Achsen 4 und 5 liegen in der Schnittebene
von unterem Zylinderkopfteil 3 zu oberem Zylinderkopfteil 6.
Die Nockenwellen, deren Achsen mit 4 und 5 bezeichnet sind,
sind über ein Koppelgetriebe 7 antriebsverbunden, das vierrädrig
ausgebildet ist und konzentrisch zu den Achsen 4 und 5 der
Nockenwellen liegende Antriebsräder 8 und 9 aufweist, die über
Zwischenräder 10, von denen nur eines gezeigt ist, antriebsverbunden
sind, wobei die Achsen der Zwischenräder 10 mit 11 und
12 bezeichnet sind.
Von den mit 13, 14 und 15 bezeichneten Koppeln des Koppelgetriebes
7 wird über die Koppel 13, die um die Achse 4 verschwenkbar
ist, und einen in Gegenrichtung zur Koppel 15 liegenden
Verlängerungsarm 16 die Verbindung zu einem Stellantrieb
hergestellt, der insgesamt mit 17 bezeichnet ist und über dessen
bei 18 angedeuteten Stellmotor die Spindel 19 antreibbar
ist, auf der die Mutter 23 läuft, durch deren Verstellung in
Längsrichtung der Spindel 19 über den Verlängerungsarm 16 der
Koppel 13 das Koppelgetriebe 7 verschwenkbar ist. Die Verstel
lung des Koppelgetriebes 7 hat eine Verschiebung der mit den
Antriebsrädern 8 und 9 drehtest verbundenen, über das Koppelgetriebe
7 drehzahlgleich angetriebenen Nockenwellen in ihrer
Phasenlage zueinander zur Folge, und diese Veränderung der Phasenlage
der Nockenwellen zueinander wird genutzt, über eine
nicht gezeigte Übertragungseinrichtung, die auf funktionsgleiche,
nicht dargestellte Ventile der Brennkraftmaschine wirkt,
diese Ventile im Hinblick auf Steuerzeiten und Hub variabel anzusteuern.
Derartige bekannte variable Ventilsteuerungen sind
beispielsweise in der DE 4244550 A1 näher erläutert.
Die Spindel 19 ist über Lager 21 und 22 im oberen Zylinderkopfteil
6 geführt, und zwar bei Erstreckung in Querrichtung
der Brennkraftmaschine und senkrecht zu den zur Längsachse der
Brennkraftmaschine parallel liegenden Nockenwellen. Auf der
schematisch angedeuteten Spindel 19 sitzt die Mutter 23, mit
der der Verlängerungsarm 16 der Koppel 13 über eine in einer
Nut der Mutter 23 laufende Achse 24 schwenkbar verbunden ist.
Der Verlängerungsarm 16 ist mit der Koppel 13 um die Achse 4
schwenkbar. Die Achse 24 verläuft parallel zu den Achsen 4 und
5 der Nockenwellen und senkrecht zur Achse der Spindel 19. In
Richtung auf die Spindelachse 19 ist die Achse 24 zudem verschieblich
geführt, was in Figur 1 durch den Doppelpfeil 25 angedeutet
ist. Eine mögliche, im Rahmen der Erfindung vorteilhafte
Ausgestaltung einer solchen Verbindung zwischen dem Verlängerungsarm
16 der Koppel 13 und einer Mutter 23 zeigt in einer
Schnittdarstellung Figur 2, wobei diese nur im Grundprinzip
mit Figur 1 übereinstimmt.
Mutter 23 und Spindel 19 sind im Rahmen der Erfindung so ausgebildet,
daß sich eine hohe Übersetzung ergibt, wobei eine
reibungsarme und spielfreie Führung hoher Präzision insbesondere
durch Kugelgewindetriebe oder auch Rollengewindetriebe erreichbar
ist, die hier im weiteren nicht dargestellt sind, die
aber auch als handelsübliche Bauteile erhältlich sind.
Im Hinblick auf die Erfindung weist eine bezüglich der Verbindung
zur Spindel 19 derartig ausgebildete Mutter 23 eine
Verbindung zum Verlängerungsarm 16 der Koppel 13 auf, die eine
Verschiebbarkeit in Richtung auf die Spindel 19 zuläßt und zudem
quer zur Spindel 19 mit der Mutter 23 zumindest schwenkbar
verbunden ist.
Die Mutter 23 ist hierzu in Richtung auf das Koppelgetriebe 7
bzw. die Koppel 13 mit einem Ansatz 26 versehen, der eine Aufnahme
27 für einen Rotationskörper 28 bildet, welcher zumindest
um eine quer zur Spindel 19 verlaufende und zu den Achsen 4 und
5 der Nockenwellen parallele Achse 29 schwenkbar ist. Dieser
Rotationskörper 28 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zylindrisch
gestaltet, also beispielsweise durch einen Zapfen gebildet,
kann im Rahmen der Erfindung aber auch als Kugel ausgeführt
sein, die in entsprechender, hier nicht dargestellter
Weise in einer kugeligen Aufnahme des Ansatzes untergebracht
ist. Der Rotationskörper 28 weist eine zu seiner Schwenkachse
29 symmetrische Nut 30 auf, die eine Schlitzführung für einen
Steg des Verlängerungsarmes 16 bildet, der sich bei zumindest
im Anschlußbereich an die Mutter 23 gegabelter Ausführung der
Koppel 13 bzw. des Verlängerungsarmes 16 - beispielsweise ist
geeignet ein U-förmiger Querschnitt der Koppel 13 bzw. des Ver
längerungsarmes 16 - parallel zu den Achsen 4 bzw. 5 der
Nockenwellen erstreckt und in der eine Schlitzführung bildenden
Nut 30 liegt. Durch diese Verbindung des Verlängerungsarmes 16
zur Mutter 23 ist eine verzwängungsfreie Führung gegeben, die
durch die Verschiebbarkeit des Steges 31 in der Nut 30 in Richtung
auf die Spindel 19 (Doppelpfeil 25 in Figur 1) den Abgleich
der im Rahmen der Verstellwege verhältnismäßig kleinen
radialen Verlagerungen ermöglicht. Ist der Rotationskörper
sphärisch, beispielsweise als Kugel ausgebildet, so können auch
gewisse Desachsierungsfehler noch ausgeglichen werden.
Ein Mitdrehen der Mutter 23 beim Antrieb der Spindel wird durch
eine entsprechende Abstützung derselben gegenüber Teilen des
Zylinderkopfes oder auch der Koppel verhindert, wobei die diesbezüglichen
Maßnahmen hier nicht dargestellt sind.
Die geschilderte Verbindung des Koppelgetriebes 7 zum Stellantrieb
17 erbringt nicht nur, wie dargelegt, einen unempfindlichen,
spielfreien Anschluß, sondern macht diesen auch toleranzunempfindlich
und ist zudem geeignet, der Übertragung unerwünschter
Schwingungen entgegenzuwirken, wobei dem auch dadurch
vorgebeugt wird, daß die Tiefe der Nut 30 so bemessen
ist, daß stirnseitig, wie in Figur 2 erkennbar, ein gewisses
Spiel zwischen dem Steg 31 und dem Grund der Nut 30, bevorzugterweise
und zumindest im Regelfall, gegeben ist.
Im Rahmen der Erfindung sind selbstverständlich auch abgewandelte
Ausgestaltungen der Verbindung zwischen Koppel 13 und
Mutter 23 möglich, wenn auch die vorgeschilderte eine bevorzugte
Ausgestaltung bildet. Insbesondere könnte er
findungsgemäß auch ein Stegteil Verwendung finden, das seinerseits
über eine zu den Achsen 4, 5 der Nockenwellen parallele
Achse schwenkbar in der Verlängerung 16 gelagert ist und
das mit einem gegen die Spindel 19 auskragenden Ansatz in eine
entsprechende, in der Mutter 23 vorgesehene Aufnahme hineinragt,
die zumindest in Längsrichtung der Spindel 19 passend auf
den Ansatz abgestimmt ist.
Figur 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Koppelgetriebes
gemäß Figur 1, wobei, soweit nicht durch für die Erfindung wesentliche
Unterschiede bedingt, für einander entsprechende Teile
gleiche Bezugszeichen Verwendung finden. Desweiteren ist in
der Darstellung gemäß Figur 3 auch der Stellantrieb in der Lage
zu den Nockenwellen 4 und 5 verändert, was für das der Erfindung
zugrundeliegende Arbeitsprinzip aber ohne Bedeutung ist.
In der Darstellung gemäß Figur 3 sind die Nockenwellenachsen
wiederum mit 4 und 5 bezeichnet und die Koppeln des Koppelgetriebes
mit 13 bis 15. Die Achsen der Zwischenräder des Koppelgetriebes
tragen die Bezugszeichen 11 und 12, die Koppel 13 ist
mit einem in Richtung auf die Spindel 19 gegabelt auslaufenden
Verlängerungsarm 16 versehen, dessen Gabelarme mit 31 und 32 in
Figur 4 bezeichnet sind. Zwischen den Gabelarmen 31 und 32 der
Verlängerung 16 der Koppel 13 liegt die Mutter 33, wobei die
Achse der Mutter 33 mit der Achse der Spindel 19 zusammenfällt
und die Mutter 33 zwischen den Gabelarmen 31 und 32 geführt
ist, so daß sie über die Spindel 19 nicht mitgedreht werden
kann. Die Mutter 33 weist seitlich in Richtung der Gabelarme 31
und 32 auskragende Schwenkzapfen 34 und 35 auf.
Die Gabelarme 31 und 32 sind mit auf ihre freien Enden auslaufenden
Führungsmäulern 36 und 37 versehen, in denen Gleitsteine
38 und 39 geführt sind, in denen die Schwenkzapfen 34 und 35
gelagert sind.
Die Schwenkzapfen 34 und 35 bestimmen die Schwenkachse 40 in
der Verbindung der Mutter 33 mit dem gegabelten Ende des Verlängerungsarmes
16 der Koppel 13, die ihrerseits senkrecht zur
Achse 41 der Spindel 19 verläuft und diese schneidet. Über die
Spindel 19 auf das Koppelgetriebe 7 ausgeübte Stellkräfte werden,
ebenso wie entsprechende Abstützkräfte, somit über die
Mutter 33 unmittelbar in Richtung der Spindelachse 41 übertragen
bzw. ausgeübt, so daß sich keine auf die Mutter 33 wirkenden
Kippkräfte ergeben. Zudem ermöglicht die über die Schwenkzapfen
34 und 35 erfolgende, drehbare Abstützung der Mutter 33
in den Gleitsteinen 38 und 39 eine verkantungsfreie Führung der
Gleitsteine 38 und 39 in den Führungsmäulern 36 und 37, so daß
in Verbindung mit einer symmetrischen Lage der Spindelachse 41
zu den Gabelarmen 31 und 32 die Verbindung der Spindel 19 zur
Mutter 33 frei von Belastungen ist, die zu einer Verkantung und
damit erhöhten Reibung in der Kraftübertragung führen können.
Es ist somit eine besonders zweckentsprechende und für hochdynamische
Stellvorgänge bei relativ großen Stellkräften besonders
geeignete Kraftübertragung geschaffen, zumal den Gleitsteinen
38 und 39 in den Führungsmäulern 36 und 37 auch verhältnismäßig
großflächige Abstützungen zugeordnet sind.