EP1752622B1

EP1752622B1 - Zwangsgesteuerter Ventiltrieb

Info

Publication number: EP1752622B1
Application number: EP20060009750
Authority: EP
Inventors: Dietmar Schwarzenthal; Joachim Grünberger
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2005-08-13
Filing date: 2006-05-11
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2026-05-11
Also published as: DE102005038505B3; EP1752622A1; DE502006004287D1

Description

Die Erfindung betrifft einen zwangsgesteuerten Ventiltrieb zum Steuern der Öffnungs- und Schließbewegung mindestens einer Ventileinrichtung, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beispielsweise aus der US 1 280 912 A oder GB 19 193 A ist ein zwangsgesteuerter Ventiltrieb eingangs genannter Art bekannt, der der Steuerung der Öffnungs- und Schließbewegung einer Ventileinrichtung dienen. Der Ventiltrieb weist ein Nockenelement mit einer ersten Nockenkontur mit einem ersten Grundkreis und eine zweite Nockenkontur mit einem zweiten Grundkreis auf, wobei der zweite Grundkreis koaxial zum ersten Grundkreis angeordnet ist und einen kleineren Durchmesser als der erste Grundkreis aufweist. Die erste Nockenkontur ist von einem einteilig mit dem Nockenelement ausgebildeten starren Umschließungselement umgeben, so dass zwischen Umschließungselement und dem zweiten Grundkreis eine Nockennut gebildet ist, in die ein mit der Ventileinrichtung gekoppeltes Antriebselement, hier eine gelagerte Rolle, eingreift. Um das Ventilspiel ausgleichen zu können, ist gemäß GB 19 193 A eine Federeinrichtung zwischen der Ventileinrichtung und dem Nockenelement angeordnet.
Zwangsgesteuerte Ventiltriebe oder Ventilsteuerungen werden auch als desmodromische Ventilsteuerungen bezeichnet. Aus der EP 1 247 946 A2 ist ein Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen bekannt, der mindestens ein angetriebenes Nockenelement und ein vom Nockenelement gegen eine Rückstellkraft bewegbares Nockenfolgeelement aufweist. Das Nockenelement ist drehbar in einem flexiblen Umschließungselement angeordnet, das mit dem Nockenfolgeelement gelenkig verbunden ist. Aus der DE 37 00 715 A1 ist eine Zwangssteuerung für ein Ventil einer Brennkraftmaschine bekannt, das einen rotierenden Nocken und Mittel zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen Nocken und Ventilschaft umfasst. Der Nocken ist von einem Band reibungsarm eng umschlossen, das in einer zur Rotationsachse des Nockens senkrechten Ebene verformbar am freien Endbereich des Ventilschafts angelenkt ist. Diese bekannten zwangsgesteuerten Ventiltriebe sind aufgrund der großen Anzahl der verwendeten Bauteile oder aufgrund von hohen Toleranzanforderungen sehr komplex.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen zwangsgesteuerten Ventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist.
Die Aufgabe ist bei einem zwangsgesteuerten Ventiltrieb zum Steuern der Öffnungs- und Schließbewegung mindestens einer Ventileinrichtung, mit mindestens einem angetriebenen Nockenelement, das eine erste Nockenkontur mit einem ersten Grundkreis aufweist, die von einem Umschließungselement umschlungen ist, dadurch gelöst, dass das Nockenelement eine zweite Nockenkontur mit einem zweiten Grundkreis aufweist, der einen kleineren Durchmesser als der erste Grundkreis aufweist und koaxial so zu dem ersten Grundkreis angeordnet ist, dass sich zwischen dem Umschließungselement und der zweiten Nockenkontur eine Nockennut ergibt, in die ein Antriebselement eingreift, das mit der Ventileinrichtung gekoppelt ist, und dass es sich bei dem Umschließungselement um ein flexibles Band handelt. Die erste Nockenkontur wird auch als äußere und die zweite Nockenkontur als innere Nockenkontur bezeichnet. Das Nockenelement mit den beiden Nockenkonturen kann in einem trennenden Fertigungsverfahren, zum Beispiel mit Hilfe eines Profilwerkzeugs, oder in einem Urformverfahren, zum Beispiel durch Gießen oder Sintern, in einem Arbeitsgang erzeugt werden. Das Antriebselement gleitet oder wälzt sich an einer Nutflanke der Nockennut. Aus der US 1 238 175 A ist zwar ein zwangsgesteuerter Ventiltrieb bekannt, der ein Nockenelement mit einer Nockennut aufweist, allerdings ist das bekannte Nockenelement inklusive der Nockennut mit zwei Nutflanken aus einem Stück hergestellt. Durch dieses US-Patent wird weder offenbart noch nahe gelegt, eine der Nutflanken der Nockennut mit Hilfe eines separaten Umschließungselements zu realisieren. Der erfindungsgemäße Ventiltrieb liefert unter anderem den Vorteil, dass die Nockennut fertigungstechnisch relativ einfach herstellbar ist. Zum Öffnen wird die Ventileinrichtung durch die zweite oder innere Nockenkontur beschleunigt. Durch die erste oder äußere Nockenkontur, die mit Hilfe des Umschließungselements auf das Antriebselement übertragen wird, wird die Ventileinrichtung wieder gebremst. Das separate Umschließungselement ist von einem flexiblen Band gebildet, das an der ersten Nockenkontur befestigt ist. Vorzugsweise ist das Umschließungselement reib- und/oder formschlüssig an der ersten Nockenkontur befestigt. Das heißt, das Umschließungselement dreht sich im Betrieb mit dem Nockenelement. Im Unterschied zu den bekannten zwangsgesteuerten Ventiltrieben ist das Umschließungselement nicht an die Ventileinrichtung angelenkt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventiltriebs ist dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement die Gestalt eines Kreiszylinders aufweist, dessen Außendurchmesser dem Abstand zwischen den beiden Grundkreisen entspricht. Dadurch wird ein spielfreier Eingriff des Antriebselements in die Nockennut gewährleistet. Das Antriebselement kann auch als Mitnehmerelement bezeichnet werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventiltriebs ist dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement über eine Hebeleinrichtung mit mindestens einem Kopplungselement gekoppelt ist, das über die Hebeleinrichtung mit einem Ventilschaft der Ventileinrichtung gekoppelt ist. Durch die Hebeleinrichtung werden sowohl die Bewegung des Antriebselements als auch die Bewegung des Kopplungselements geführt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventiltriebs ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement zwischen zwei Bunden angeordnet ist, die an dem Ventilschaft angebracht sind. Dadurch wird das Kopplungselement auf einfache Art und Weise mit dem Ventilschaft gekoppelt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventiltriebs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hebeleinrichtung an einem dem Kopplungselement abgewandten Ende schwenkbar gelagert ist. Vorzugsweise ist die Schwenkachse der Hebeleinrichtung parallel zu der Achse einer Nockenwelle angeordnet, die das Nockenelement antreibt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventiltriebs ist dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenelement auf zwei Seiten jeweils eine erste Nockenkontur mit einem ersten Grundkreis, wobei die beiden ersten Nockenkonturen von dem Umschließungselement umschlungen sind, und jeweils eine zweite Nockenkontur mit einem zweiten Grundkreis aufweist, der einen kleineren Durchmesser als der erste Grundkreis aufweist und koaxial so zu dem ersten Grundkreis angeordnet ist, dass sich zwischen dem Umschließungselement und den beiden zweiten Nockenkonturen jeweils eine Nockennut ergibt, in die jeweils ein Antriebselement eingreift, das mit jeweils einer Ventileinrichtung gekoppelt ist. Dadurch wird auf einfache Art und Weise ein zwangsgesteuerter Ventiltrieb für zwei Ventileinrichtungen geschaffen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventiltriebs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente über die Hebeleinrichtung mit jeweils mindestens einem Kopplungselement verbunden sind, das jeweils mit einem Ventilschaft einer der Ventileinrichtungen gekoppelt ist. Vorzugsweise ist die Schwenkachse der Hebeleinrichtung parallel zu der gemeinsamen Achse der Antriebselemente angeordnet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:

Figur 1: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs;
Figur 2: den Ventiltrieb aus Figur 1 in der Vorderansicht;
Figur 3: den Ventiltrieb aus Figur 1 in der Draufsicht und
Figur 4: den Ventiltrieb aus Figur 1 in der Seitenansicht von rechts.

In den Figuren 1 bis 4 ist ein zwangsgesteuerter Ventiltrieb 1 einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors, in verschiedenen Ansichten dargestellt. Der zwangsgesteuerte Ventiltrieb 1 dient dazu, die Öffnungs- und Schließbewegung von zwei Ventilen 4, 5 zu steuern. Die beiden Ventile 4, 5 weisen jeweils einen Ventilteller 6, 7 auf, der dazu dient, eine (nicht dargestellte) Öffnung in einem Arbeitsraum einer Brennkraftmaschine zu verschließen und gezielt freizugeben. Für den Ladewechsel der Brennkraftmaschine sind die Steuerzeitquerschnitte maßgeblich, die sich aus dem Produkt von geöffneter Durchtrittsfläche und Öffnungszeit ergeben. Die Schließbewegungsrichtung der Ventilteller 6, 7 ist durch einen Pfeil 9 angegeben. Die Öffnungsbewegungsrichtung der Ventilteller 6, 7 ist durch einen Pfeil 10 angegeben. Die Ventilteller 6, 7 sind jeweils einstückig mit einem Ventilschaft 12, 13 verbunden. Die Ventilschäfte 12, 13 sind jeweils in Längsrichtung hin und her bewegbar geführt.
Im Bereich des freien Endes des Ventilschafts 13 sind zwei Bunde 15, 16 ausgebildet. Die Bunde 15, 16 weisen an ihren einander zugewandten Stirnseiten jeweils eine Anlagefläche auf. Die beiden Anlageflächen sind voneinander beabstandet. Zwischen den beiden Anlageflächen der Bunde 15, 16 sind zwei Kopplungselemente 18, 19 angeordnet, die den Ventilschaft 13 gabelartig umgreifen. Die Kopplungselemente 18, 19 sind einstückig mit einer Hebeleinrichtung 20 verbunden.
In Figur 3 sieht man, dass die Hebeleinrichtung 20 zwei Hebelarme 21, 22 aufweist, die von einem Grundkörper 23 der Hebeleinrichtung 20 ausgehen. An dem freien Ende des Hebelarms 21 sind, wie auch in Figur 4 zu sehen ist, die Kopplungselemente 18, 19 ausgebildet. Die Kopplungselemente 18, 19 haben jeweils die Gestalt einer mit einem Durchgangsloch versehenen Kreisscheibe, die an dem dem Hebelarm 21 abgewandten Ende abgeschnitten ist. In Figur 3 sieht man auch, dass von dem Grundkörper 23 der Hebeleinrichtung 20 zwei Lagerzapfen 24, 25 ausgehen, die dazu dienen, die Hebeleinrichtung 20 um eine Schwenkachse 26 herum schwenkbar zu lagern.
Das Kopplungselement 19 weist einen Ansatz 29 auf, von dem etwa in Höhe des Bundes 16 auf der dem Bund 16 abgewandten Seite ein Antriebselement 30 ausgeht, das auch als Mitnehmerelement bezeichnet wird und die Gestalt eines kreiszylinderförmigen Zapfens aufweist. Das Antriebselement 30 ist einer Nockennut 32 angeordnet. Die Nockennut 32 weist einen Nutgrund 33 auf, der von einer Stirnfläche 34 eines Nockenelements 35 gebildet wird. Das Nockenelement 35 umfasst einen ersten Nocken 36, an dessen Umfang eine erste oder äußere Nockenkontur 41 mit einem ersten Grundkreis ausgebildet ist. Eine zweite oder innere Nockenkontur 42 mit einem zweiten Grundkreis, der koaxial beziehungsweise konzentrisch zu dem ersten Grundkreis der ersten Nockenkontur 41 angeordnet ist und einen kleineren Durchmesser als der erste Grundkreis aufweist, ist an einem zweiten Nocken 44 ausgebildet, der einstückig mit und erhaben zu dem ersten Nocken 36 des Nockenelements 35 ausgebildet ist.
Von zweiten Nocken 44 geht ein Nockenwellenstummel 46 aus. Von der entgegengesetzten Stirnseite des Nockenelements 35 geht ein weiterer Nockenwellenstummel 47 aus, der koaxial zu dem Nockenwellenstummel 46 angeordnet ist. Die beiden Nockenwellenstummel 46, 47 können Teil einer Nockenwelle sein, durch welche der zwangsgesteuerte Ventiltrieb 1 angetrieben wird. Die Drehachse der Nockenwellenstummel 46, 47 ist in Figur 3 mit 45 bezeichnet.
Die erste äußere Nockenkontur 41 des Nockenelements 35 ist von einem Umschließungselement 48 umschlungen, das auch als Umschlingungselement bezeichnet wird. Bei dem Umschließungselement 48 handelt es sich um ein flexibles Band, das um den ersten Nocken 36, der auch als Außennocken oder äußerer Nocken bezeichnet wird, herum geschlungen und durch Reibschluss oder durch Formschluss auf diesem Nocken befestigt ist. Das Umschließungselement ragt in axialer Richtung über den äußeren Nocken 36 hinaus. Das Umschließungselement 48 steht soweit über den äußeren Nocken 36 hinaus, wie sich der zweite innere Nocken 44 in diese Richtung erstreckt. Der Überstand des Umschließungselements 48 entspricht also der Dicke des inneren Nockens 44 in axialer Richtung. Die zweite Nockenkontur 42 des inneren Nockens 44 bildet eine Nutflanke der Nockennut 32. Die andere Nutflanke wird von dem überstehenden Abschnitt des Umschließungselements 48 gebildet.
In Figur 2 sieht man, dass das Umschließungselement 48 nicht von einem Endlosband gebildet wird, sondern zwei Enden aufweist, die durch ein Verschlusselement 55 aneinander befestigt sind. In Figur 2 sieht man auch, dass im Bereich des freien Endes des Ventilschafts 12 in gleicher Weise wie an dem Ventilschaft 13 zwei Bunde 65, 66 vorgesehen sind. Zwischen den Bunden 65, 66 sind zwei Kopplungselemente 68, 69 angeordnet, die einstückig mit der Hebeleinrichtung 20 verbunden sind. Das Kopplungselement 69 weist einen Ansatz 79 auf, von dem in gleicher Weise wie bei dem Ansatz 29 ein Antriebselement ausgeht, das in eine Nockennut eingreift, die analog zu der Nockennut 32 auf der entgegengesetzten Stirnseite des Nockenelements 35 vorgesehen ist.
Durch den erfindungsgemäßen Ventiltrieb können Performance-Steigerungen in Bezug auf den Ventilzeitquerschnitt und/oder eine höhere Enddrehzahl erreicht werden. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Ventiltriebs liegt darin, dass die Reibleistung des Ventiltriebs verringert werden kann. Dadurch kann insbesondere bei niedrigen Drehzahlen der Brennkraftmaschine der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden. Die beiden Nockenkonturen des Nockenelements 35 werden zum Beispiel mit einem Profilwerkzeug oder in einem anderen formgebenden Verfahren, wie Gießen oder Sintern, in einem Arbeitsgang hergestellt. Der Grundkreisunterschied der beiden Nockenkonturen 41, 42 entspricht gerade dem Außendurchmesser des Antriebselements 30, das von einer Rolle gebildet werden kann.

Claims

Zwangsgesteuerter Ventiltrieb (1) zum Steuern der Öffnungs- und Schließbewegung mindestens einer Ventileinrichtung (4,5), mit mindestens einem angetriebenen Nockenelement (35), das eine erste Nockenkontur (41) mit einem ersten Grundkreis aufweist, die von einem Umschließungselement (48) umschlungen ist, und das eine zweite Nockenkontur (42) mit einem zweiten Grundkreis aufweist, der einen kleineren Durchmesser als der erste Grundkreis aufweist und koaxial so zu dem ersten Grundkreis angeordnet ist, dass sich zwischen dem Umschließungselement (48) und der zweiten Nockenkontur (42) eine Nockennut (32) ergibt, in die ein Antriebselement (30) eingreift, das mit der Ventileinrichtung (5) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschließungselement (48) separat als ein flexibles Band ausgebildet ist, das an der ersten Nockenkontur (41) befestigt ist.
Zwangsgesteuerter Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (30) die Gestalt eines Kreiszylinders aufweist, dessen Außendurchmesser dem Abstand zwischen den beiden Grundkreisen entspricht.
Zwangsgesteuerter Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (30) über eine Hebeleinrichtung (20) mit mindestens einem Kopplungselement (18,19) gekoppelt ist, das über die Hebeleinrichtung (20) mit einem Ventilschaft (13) der Ventileinrichtung (5) gekoppelt ist.
Zwangsgesteuerter Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement (18,19) zwischen zwei Bunden (15,16) angeordnet ist, die an dem Ventilschaft (13) angebracht sind.
Zwangsgesteuerter Ventiltrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebeleinrichtung (20) an einem dem Kopplungselement (18,19) abgewandten Ende schwenkbar gelagert ist.
Zwangsgesteuerter Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenelement (35) auf zwei Seiten jeweils eine erste Nockenkontur (41) mit einem ersten Grundkreis, wobei die beiden ersten Nockenkonturen von dem Umschließungselement (48) umschlungen sind, und jeweils eine zweite Nockenkontur (42) mit einem zweiten Grundkreis aufweist, der einen kleineren Durchmesser als der erste Grundkreis aufweist und koaxial so zu dem ersten Grundkreis angeordnet ist, dass sich zwischen dem Umschließungselement (48) und den beiden zweiten Nockenkonturen (42) jeweils eine Nockennut (32) ergibt, in die jeweils ein Antriebselement (30) eingreift, das mit jeweils einer Ventileinrichtung (5,4) gekoppelt ist.
Zwangsgesteuerter Ventiltrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebselemente (30) über die Hebeleinrichtung (20) mit jeweils mindestens einem Kopplungselement (18,19,68,69) verbunden sind, das jeweils mit einem Ventilschaft (13,12) der Ventileinrichtungen (5,4) gekoppelt ist.