EP1853796B1

EP1853796B1 - Verstellvorrichtung für variable ventilsteuerung

Info

Publication number: EP1853796B1
Application number: EP06706717A
Authority: EP
Inventors: Helmut Schön; Peter Kuhn; Gordon KÖHNE; Patric Hoecker
Original assignee: ThyssenKrupp Presta TecCenter AG
Current assignee: Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2006-02-07
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: ES2330253T3; ATE438789T1; US20090194048A1; US8225756B2; DE102005010484B3; WO2006094589A1; EP1853796A1; DE502006004444D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für variable Ventiltriebe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, hinsichtlich Leistung, Verbrauch und Emissionen ist eine grössere Zahl variabler Ventilsteuerungen entwickelt worden. Im Wesentlichen erlauben sie eine Anpassung von Ventilhub, Öffnungsdauer und Phasenlage an die jeweiligen Betriebszustände.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verstellung derjenige Arten variabler Ventilsteuerungen, die durch Drehen einer sogenannten Verstellwelle verstellt werden. Die Verstellwelle trägt gewöhnlich Kurvenscheiben, die, meist für eine Zylinderreihe, ihrerseits die notwendigen Stellbewegungen hervorrufen. Ein Beispiel dieser Art von Ventilsteuerungen mit Verstellwelle und Kurvenscheibe ist in der DE 41 35 257 beschrieben. Nicht beschrieben ist dort der Antrieb der Verstellwelle, da dieser auf bekannte Weise nach dem Stand der Technik durch einen elektrischen Getriebemotor realisiert werden kann. Dieser verdreht die Verstellwelle bei Bedarf und nach Ansteuerung durch das Motormanagement entweder in einem ersten Drehsinn, der zu grösserem Ventilhub führt, oder in einem zweiten, entgegengesetzten Drehsinn, der zu kleinerem Ventilhub führt.
Die Verstellung durch einen elektrischen Getriebemotor hat einen wesentlichen Nachteil dadurch, dass die an den Kurvenscheiben tatsächlich benötigte Verstellleistung über mehrfache Energieumwandlung mit jeweils schlechtem Wirkungsgrad von der Kurbelwelle geliefert wird, sodass die der Kurbelwelle entnommene Leistung ein Mehrfaches der an den Kurvenscheiben tatsächlich benötigten Verstellleistung beträgt. Die entsprechenden Verluste verringern die mit der variablen Ventilsteuerung erreichbaren Vorteile unter Umständen erheblich.
Der gesamte Wirkungsgrad, der sich aus den Wirkungsgraden des Generatorantriebs, des Generators selbst, des Elektromotors sowie des Getriebes, das wegen des notwendigen Übersetzungsverhältnisses meist ein Schneckengetriebe ist, ergibt, lässt sich mit den folgenden Annahmen der Einzelwirkungsgrade abschätzen:

Riemenantrieb Kurbelwelle-Generator: 0.95, Generator: 0.60, Elektromotor 0.70, Schneckengetriebe 0.75. Für die gesamte Kette ergibt sich durch Multiplikation der Einzelwirkungsgrade ein Wirkungsgrad von 0.3 oder 30%, bzw. es wird der Kurbelwelle mehr als das Dreifache der eigentlich erforderlichen Leistung entnommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verstellvorrichtung für variable Ventilsteuerungen zur Verfügung zu stellen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist und bei der der Leistungsbedarf an der Kurbelwelle für die Verstellung wesentlich geringer ist als bei den bekannten Verstellvorrichtungen, die mit einem elektrischen Antrieb arbeiten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verstellvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Um die obigen, wesentlichen Verluste zu vermeiden wird erfindungsgemäß eine Verstellvorrichtung vorgeschlagen, die im Wesentlichen aus einem im Motor angeordneten, mechanischen Getriebe besteht, dessen Antriebsleistung einer der im Motor umlaufenden Wellen in Form von Bewegungsenergie entnommen wird und dessen Ausgangsleistung im jeweils gewünschten Drehsinn in Form von Bewegungsenergie auf die Verstellwelle übertragen wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass keine Energieumwandlungsverluste anfallen, wie dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verstellvorrichtungen wegen der dort erfolgenden Umwandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie und anschließend wieder von elektrischer Energie in Bewegungsenergie der Fall ist.
Besonders geeignet zur Bereitstellung der Verstellleistung ist wegen ihrer räumlichen Nähe zur Verstellwelle die Nockenwelle der Ventilsteuerung. Wird eine besonders hohe Verstellgeschwindigkeit verlangt, so kann dies auch die Kurbelwelle sein. Ganz allgemein kann jede der im Motor mit der Kurbelwelle synchron oder nicht synchron umlaufenden Wellen zum Antrieb der erfindungsgemässen Verstellvorrichtung herangezogen werden.
Da diese Welle im Allgemeinen immer im gleichen Drehsinn umläuft, liegt auch am Eingang in das Getriebe der erfindungsgemässen Verstellvorrichtung immer die gleiche Drehrichtung vor, während am Getriebeausgang beide Drehrichtungen zur Verfügung stehen müssen, um die Verstellwelle entweder im genannten, ersten Drehsinn anzutreiben, mit welchem der Ventilhub vergrössert wird, oder im zweiten, entgegengesetzten Drehsinn zur Verringerung des Ventilhubes. Ein Getriebe, das diese Anforderung erfüllt, bezeichnet man als Wendegetriebe. Es kann strukturiert werden in einen Teil, der die beiden Drehrichtungen erzeugt, und in einen Schaltteil zur wahlweisen Ankoppelung der vom Getriebe anzutreibenden Welle, im vorliegenden Fall der Verstellwelle. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung fallen unter den Begriff Wendegetriebe insbesondere die nachstehend im Detail beschriebenen Kurbelschwingen und Kurbelschleifen. Andere Getriebe, die die voranstehend genannte Wendegetriebefunktionalität besitzen, sind vom Erfindungsgedanken allerdings ebenfalls umfasst und fallen in den Schutzbereich der Patentansprüche.
Zu einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Verstellvorrichtung, bzw. des verwendeten Getriebes gelangt man durch folgende Überlegungen: Verwendet man ein Wendegetriebe der am häufigsten anzutreffenden Bauart, bei der zwei Zahnradsätze mit jeweils entgegengesetzter Drehrichtungsübertragung vorgesehen sind, die wahlweise, je nach gewünschter Drehrichtung der Verstellwelle, formschlüssig, etwa durch eine Schaltmuffe, mit dieser verbunden werden, so treten zwei kaum zu überwindende Schwierigkeiten auf:
Die erste Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass die Verstellwelle in sehr kurzer Zeit um einen bestimmten, präzise einzuhaltenden Winkel, den Schaltwinkel, verdreht werden muss, beispielsweise um 50° innerhalb von 0.020 s. Dies bedeutet, dass die Verstellwelle genau diese Zeitdauer lang vom Wendegetriebe mit einer Drehzahl von 417 1/min angetrieben werden muss und dass eine Abweichung von dieser Einschaltzeit um nur 0.010 s bereits zu einer Abweichung des Schaltwinkels um 50% führen würde, also zu 25°, bzw. 75°, was ein unbrauchbares Ergebnis wäre. Das Beispiel zeigt, dass die Einschaltdauer ungefähr auf 1 ms genau eingehalten werden müsste, was mit einer gewöhnlichen Schaltkupplung kaum möglich erscheint.
Die zweite Schwierigkeit ergibt sich daraus, dass die Verstellwelle beim Einrücken der Schaltkupplung stossartig auf die oben genannte Drehzahl (die 3000 Motorumdrehungen/min entspricht) gebracht werden müsste und dass sie am Ende der Einschaltzeit ruckartig zum Stillstand gebracht werden müsste. Derartige schlagartig auftretende Stoßkräfte sind äußerst unerwünscht.
Um diese Schwierigkeiten zu umgehen und um gleichzeitig zu einer einfachen Lösung zu gelangen wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, eine Kurbelschwinge als Wendegetriebe zu verwenden, deren Kurbel auf derjenigen Welle angebracht ist, der die Verstellleistung entnommen werden soll, also z.B. auf der Nockenwelle, und deren Schwinge vorzugsweise koaxial zur Verstellwelle gelagert ist, und mit dieser durch eine schaltbare, formschlüssige Kupplung verbunden werden kann. Die Kurbelschwinge stellt an ihrer Schwinge beide Drehrichtungen in schnellem Wechsel bereit. Sie führt eine annähernd harmonische, oszillierende Drehbewegung aus, deren Amplitude, z.B. 30°, für einen Verstellvorgang ausreicht. Da das Ein- und Ausrücken der Schaltkupplung im Bereich der Umkehrpunkte der Schwingenbewegung erfolgt , sind die Genauigkeitsanforderungen an die jeweiligen Schaltzeitpunkte entschärft und die Verstellwelle wird beim Ein-und Ausrücken nicht oder nur in geringem Ausmaß mit störenden Stoßkräften beaufschlagt.
Je nach konstruktiven Gegebenheiten kann es auch günstiger sein, statt der Kurbelschwinge eine Kurbelschleife einzusetzen. Beispielsweise dann, wenn der Achsabstand zwischen Nockenwelle und Verstellwelle klein ist. Ausserdem hat die Kurbelschleife die Eigenschaft, dass sie in den beiden Drehrichtungen der Schleife unterschiedlich hohe Drehmomente aufbringen kann, nämlich ein grösseres, wenn sich der Kurbelzapfen in der grösseren Entfernung von der Drehachse der Schleife befindet und ein kleineres im umgekehrten Fall.
Es liegt daher nahe, mit der erstgenannten Drehrichtung die Verstellung zu grösserem Ventilhub zu verbinden, die ein wesentlich grösseres Drehmoment an der Verstellwelle erfordert, und umgekehrt.
Wie bereits dargelegt, besteht der Vorteil von Kurbelschwinge und Kurbelschleife gegenüber anderen Wendegetrieben darin, dass die Schaltkupplung in den Bereichen der Umkehrpunkte der Schwingen- bzw. Schleifenbewegung ein- bzw. ausgerückt wird, wo deren Winkelgeschwindigkeiten gering sind. Um die Schaltgenauigkeit weiter zu verbessern wird erfindungsgemäss weiter vorgeschlagen, die doppelte Winkelamplitude der Schwinge, bzw. Schleife grösser zu wählen als den Verstellwinkel der Verstellwelle und die Differenz als Verdrehspiel vorzusehen, innerhalb dessen der Einrückvorgang mit vergleichsweise geringen Anforderungen an dessen Zeitpunkt gelegt werden kann. Weiter kann der Ausrückvorgang dadurch präzise an eine bestimmte Stellung der Schwinge oder Schleife, nämlich an einen Umkehrpunkt, gebunden werden, indem ein Sperrklinkenfreilauf, je Drehrichtung einer, als Schaltkupplung vorgesehen wird.
Der Sperrklinkenfreilauf kann dabei sehr unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine zweiseitig wirkende Sperrklinke mit einem Drehgelenk von der Schwinge oder Schleife geführt werden und radial in eine Verzahnung eingreifen, die mit der Verstellwelle drehfest verbunden ist. Bei einem weiteren, wichtigen Ausführungsbeispiel werden mehrere, als Sperrklinken wirkende Stifte axial verschiebbar in einer drehfest mit der Verstellwelle verbundenen Trommel durch Schubgelenke geführt und greifen in passende Vertiefungen im Nabenbereich von Schwinge oder Schleife ein. Ein Verstellvorgang läuft dann folgendermassen ab: Im Bereich des Verdrehspiels und eines ersten Umkehrpunktes der Schwinge oder Schleife wird die Sperrklinke des Freilaufs in Sperrstellung gebracht, was durch einen vom Motormanagement aktivierten Elektromagnet geschehen kann. Nach diesem ersten Umkehrpunkt bewegt sich die Schwinge oder Schleife mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit unter Mitnahme der Sperrklinke in Richtung des zweiten Umkehrpunktes bis das Verdrehspiel erschöpft ist, die Sperrklinke Last aufnimmt und die Verstellwelle mitgenommen wird. Schliesslich löst der Freilauf bei Erreichen des zweiten Umkehrpunktes die Verbindung zwischen Schwinge bzw. Schleife und der Verstellwelle und die Sperrklinke kehrt in ihre Ausgangsstellung zurück. Damit ist der Verstellwinkel lediglich von der Fertigungsgenauigkeit der beteiligten Bauteile abhängig. Je grösser das erwähnte Verdrehspiel gewählt wird, je mehr also die doppelte Winkelamplitude der Schwinge oder Schleife den Verstellwinkel der Verstellwelle übersteigt, desto mehr Zeit steht zur Verfügung um die Sperrklinke in Sperrstellung zu bringen, desto grösser wird naturgemäss aber auch der Stoss, wenn das Spiel erschöpft ist. Als günstiger Kompromiss erweist sich ein Spiel von 2 bis 10% des Verstellwinkels.
Die Verstellwelle muss nun nicht nur zwischen zwei Stellungen um den Verstellwinkel hin-und hergedreht werden, sondern es muss auch möglich sein, die Verstellwelle mehrmals hintereinander um den gleichen Verstellwinkel fortlaufend im gleichen Drehsinn zu verstellen. Auf diese Weise wird der Ventilhub stufenweise erhöht, bzw. verringert. Der gesamte Verstellbereich von Nullhub bis zum maximalen Hub kann z.B. durch sieben Winkelpositionen der Verstellwelle oder Stufen abgedeckt sein, zwischen denen sechsmal der Verstellwinkel von z.B. 50° liegt. Der gesamte Verdrehbereich der Verstellwelle wäre dann 300°. Da mit jeder Umdrehung der die Verstellvorrichtung antreibenden Welle die Verstellwelle nur um einmal den Verstellwinkel verstellt werden kann, hat eine kleine Anzahl von Stufen den Vorteil einer schnellen Verstellung über den gesamten Bereich und einer im praktischen Betrieb kleinen Anzahl von Schaltvorgängen mit entsprechend niedriger, mittlerer Verstellleistung. Eine grössere Anzahl von Stufen hat dagegen den Vorteil einer feineren Anpassung des Ventilhubes an die Betriebsbedingungen, kleinerer Verstellwinkel und kleinerer Stösse beim Eingreifen der Sperrklinke. Es zeigt sich in der Praxis, dass ein insgesamt günstiger Kompromiss mit fünf bis sieben Positionen der Verstellwelle, bzw. Stufen erreicht wird, wobei die erste Position dem Nullhub der Ventile zugeordnet werden kann und die höchste Stufe, also die 5., 6. oder 7. dem Grössthub.
Wären alle auf einer Verstellwelle angebrachten Kurvenscheiben gleich ausgeführt, so würde die erste Position nach obiger Festlegung dazu führen, dass alle Zylinder abgeschaltet würden. Dies ist aber in den meisten Fällen nicht sinnvoll, so wie z.B. bei der am häufigsten ausgeführten Motorbauart mit vier Zylindern in Reihe und einer Verstellwelle für beispielsweise sämtliche Einlassventile. Hier dürfen nur zwei Zylinder abgeschaltet werden, während die beiden anderen weiterhin Leistung abgeben müssen. Aus diesem Grunde müssen die Kurvenscheiben einer Verstellwelle bei Zylinderabschaltung im Allgemeinen verschieden ausgeführt sein, z.B. so, dass bei den nicht abgeschalteten Zylindern in der ersten Position bereits ungefähr der Ventilhub einer höheren Position auftritt. Welcher Ventilhub sich bei einem Ventil einstellt, ist also nicht allein von der Winkelposition der Verstellwelle abhängig, sondern auch von der diesem Ventil wirkungsmäßig zugeordneten Kurvenscheibe.
Führt nun die Drehung der Kurvenscheiben zu einer kontinuierlichen Änderung des Ventilhubes, so führen die von den Kurvenscheiben aufzunehmenden Kräfte zu Momenten, die die Winkelposition der Kurvenscheiben zu verändern trachten, bzw. zu Abweichungen im Ventilhub führen. Ausserdem unterliegen die Winkelpositionen der Kurvenscheiben sowieso gewissen Toleranzen. Aus diesen Gründen wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, die Kurvenscheiben so zu formen, dass die Ableitung des Ventilhubes nach dem Drehwinkel der Kurvenscheibe im Bereich der Eingriffspunkte der geschalteten Positionen zu Null wird. Anders ausgedrückt sind die Kurvenscheiben im Bereich der Eingriffspunkte der geschalteten Positionen als konzentrische Kreisbögen über einen Umfang von mindestens 3° ausgeführt.
Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen :

Figur 1 einen achsnormalen Schnitt durch eine variable Ventilsteuerung, welche durch Drehen einer Verstellwelle verstellt wird, wobei ein Nullhub des Ventils eingestellt ist.
Figur 2 einen achsnormalen Schnitt durch die Ventilsteuerung gemäß Fig. 1, wobei der Grössthub des Ventils eingestellt ist.
Figur 3 einen Längsschnitt durch Teile der Ventilsteuerung entlang A-A in Figur 1.
Figur 4 eine achsnormale Ansicht einer erfindungsgemässen Verstellvorrichtung unter Verwendung einer Kurbelschwinge und einer zweiseitig wirkenden, von der Schwinge mit einem Drehgelenk geführten Sperrklinke. Dargestellt ist eine Endlage der Schwinge.
Figur 5 die Verstellvorrichtung nach Figur 4 im Längsschnitt entlang B-B in Fig.4.
Figur 6 die achsnormale Ansicht einer erfindungsgemässen Verstellvorrichtung unter Verwendung einer Kurbelschleife und je Winkelposition einer, mit je einem Schubgelenk in der Verstellwelle geführten Sperrklinke.
Figur 7 die Verstellvorrichtung nach Figur 6 im Schnitt entlang C-C in Fig. 6.
Figur 8 die perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Schwinge im Nabenbereich.
Figur 9 die Ansicht einer Kurvenscheibe.

Figur 1 zeigt eine variable Ventilsteuerung, die typisch ist für die Verstellung durch Drehen einer Verstellwelle. Angetrieben wird die Ventilsteuerung 1 von einer im Gehäuse 2 gelagerten Nockenwelle 3, auf welcher sich Nocken 4 befinden. Bei konventionellen, nicht variablen Ventilsteuerungen befindet sich der Nocken 4 in direktem Eingriff mit der Rolle 5, die sich im Schlepphebel 6 befindet, der seinerseits das Ventil 7 betätigt und sich über das hydraulische Ventilspielausgleichselement 8 im Gehäuse 2 abstützt. Im Gegensatz dazu ist bei der variablen Ventilsteuerung 1 in den Kraftfluss zwischen Nocken 4 und Schlepphebelrolle 5 ein weiteres Getriebeglied, ein sogenanntes Zwischenglied 9 eingeschaltet. Dieses steht einerseits mit dem Nocken 4 über eine Nockenrolle 10 oder auch über einen Gleitkontakt in Eingriff und andererseits über eine Steuerkurve 11 mit der Schlepphebelrolle 5. Weiter ist das Zwischenglied 9 in einem Zwischengehäuse 12 um die Achse 13 drehbar gelagert. Das Zwischengehäuse 12 ist im Gehäuse 2 um die Achse 14 drehbar gelagert und wird durch den im Gehäuse 2 geführten Stössel 15 in eine bestimmte Winkelstellung gebracht. Der Stössel 15 wird seinerseits durch eine Kurvenscheibe 16 betätigt, die sich auf der im Gehäuse 2 gelagerten Verstellwelle 17 befindet. Damit bewirkt eine Drehung der Verstellwelle 17 eine, kleinere, Drehung des Zwischengehäuses 12 um seine Drehachse 14. In der Figur ist das Zwischengehäuse 12 durch die entsprechende Position der Verstellwelle 17, bzw. der Kurvenscheibe 16 und des Stössels 15 in die, im Sinne der Darstellung, linke Endposition gedreht. In dieser Stellung entsteht kein Ventilhub, auch wenn die Nockenspitze in Eingriff ist, weil der Steuerabschnitt 18 der Steuerkurve 11 nicht mit der Schlepphebelrolle 5 zum Eingriff kommt, sondern nur der Rastabschnitt 19. Die Achse der Schlepphebelrolle 5 fällt mit der Drehachse 14 des Zwischengehäuses 12 zusammen.
Figur 2 zeigt die Ventilsteuerung von Figur 1 nach Drehen der Verstellwelle 17 um ungefähr 270° im Uhrzeigersinn, was eine Drehung des Zwischengehäuses 12 um ungefähr 20° im Uhrzeigersinn zur Folge hat, sodass der volle Ventilhub erreicht wird wenn die Nockenspitze im Eingriff ist. Die Schlepphebelrolle 5 erreicht ihre höchste Stelle am Steuerabschnitt 18 der Steuerkurve 11. Somit ist bei der in der Figur gezeigten Ausführung einem Drehwinkel der Verstellwelle 17 um 270° eine Änderung des Ventilhubes von Null bis zum Höchstwert zugeordnet.
Figur 3 zeigt einen Schnitt entsprechend A-A in Figur 1, der zeigt, dass für je zwei parallele Ventile, jeweils Einlass oder Auslass eines Zylinders, ein gemeinsames Zwischengehäuse 12 verwendet werden kann, sodass auch nur ein Stössel und eine Kurvenscheibe notwendig sind. Das Zwischengehäuse 12 hat eine Symmetrieebene 20, in der auch der nicht dargestellte Stössel liegen kann, und ist mit den Zapfen 21 beidseitig im Gehäuse 2 drehbar um die Achse 14 gelagert. Im Zwischengehäuse 12 sind die Zwischenglieder 9, die die Nockenrollen 10 tragen gelagert, und die Rastabschnitte 19 der Steuerkurven stehen auf Grund der Rückstellkräfte der hydraulischen Ventilspielausgleichselemente in Kontakt mit den Schlepphebelrollen 5. Das Zwischengehäuse 12 enthält ausserdem für jedes Zwischenglied 9 eine Spiralfeder 22, die den Kontakt zwischen Nocken 4 und Nockenrolle 10 in jeder Phase der Bewegung aufrecht erhält. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind die Bezugszeichen in Figur 3 nur für die Bauteile in der rechten Hälfte der Darstellung angegeben.
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemässe Verstellvorrichtung unter Verwendung einer Kurbelschwinge und einer zweiseitig wirkenden, von der Schwinge 23 mit einem Drehgelenk 24 geführten Sperrklinke 25. Die mit der Sperrklinke 25 zusammenwirkende Verzahnung ist auf einer Scheibe 26 angebracht, die ihrerseits auf das stirnseitige Ende der Verstellwelle 17 aufgepresst ist. Die Kurbel, bestehend aus einem Kurbelzapfen 27 und einer Kurbelwange 28, ist am stirnseitigen Ende der Nockenwelle 3 angebracht und versetzt die Schwinge 23, die auf der Verstellwelle 17 drehbar gelagert ist, über die Pleuelstange 29 in eine oszillierende Drehbewegung. Dargestellt ist eine Endstellung der Schwinge 23, die am Ende einer Mitnahme der Verstellwelle 17 gegen den Uhrzeigersinn um den Verstellwinkel erreicht worden sein kann, nachdem sich der Zahn 30 der Sperrklinke 25 aus der Zahnscheibe 26 gelöst hat. Die gleiche Stellung kann aber auch am Anfang einer Drehung der Verstellwelle 17 im Uhrzeigersinn stehen, die tatsächlich einsetzt, wenn der Elektromagnet 33 aktiviert wird, das Verdrehspiel erschöpft ist und der Zahn 31 der Sperrklinke 25 auf die Zahnflanke 32 trifft. Das Verdrehspiel ergibt sich aus der Differenz zwischen der doppelten Amplitude der Drehbewegung der Schwinge und dem Verstellwinkel und gibt dem Elektromagnet 33 Zeit, die Sperrklinke 25 in Sperrstellung zu bringen. Eine Blattfeder 34 greift in die Zahnscheibe 26 ein und arretiert die Verstellwelle 17 in der jeweils eingestellten Position.
Figur 5 zeigt die Verstellvorrichtung von Figur 4 im Längsschnitt B-B. Die Verstellwelle 17 ist im Gehäuse 2 gelagert. Mit ihr drehfest verbunden sind die Zahnscheibe 26 und die Kurvenscheiben 16, sodass eine Drehung der Zahnscheibe 26 um den Verstellwinkel auch eine Drehung der Kurvenscheiben um den gleichen Winkel bewirkt. Für die Schwinge 23 bildet die Verstellwelle 17 die Achse, auf die sie sich über ein Lager 35 abstützt.
Figur 6 zeigt die erfindungsgemässe Verstellvorrichtung unter Verwendung einer Kurbelschleife in der achsnormalen Ansicht. Im Unterschied zu der Ausführung mit einer Kurbelschwinge nach Figur 4 greift der Zapfen 27 der Kurbel in eine Schleife 36 ein, die, wie die Schwinge, auf der Verstellwelle 17 drehbar, bzw. schwenkbar gelagert ist. Weiter im Unterschied zur Ausführung nach den Figuren 4 und 5 ist statt der Zahnscheibe eine Lochtrommel 37 auf das stirnseitige Ende der Verstellwelle 17 aufgepresst. Jede der achsparallelen Bohrungen 38 der Lochtrommel 37 enthält und führt einen Zylinderstift 40, von denen jeweils einer, ebenfalls mit Hilfe eines Elektromagneten, wahlweise mit einer von zwei Ausnehmungen, jede für eine Drehrichtung, im Nabenbereich der Schleife in Eingriff gebracht werden kann. Diese Ausnehmungen 41 und 42 sind, wie Figur 8 im Detail zeigt, so gestaltet, dass der eingreifende Zylinderstift 40 nur in einer Drehrichtung ein Drehmoment auf die Schleife übertragen kann, bei Drehrichtungsumkehr aber in seine Ausgangslage zurückgeschoben wird. Hierfür ist der Boden der Ausnehmungen 41, 42 entsprechend konturiert.
Der Zylinderstift 40 stellt also eine in einem Schubgelenk geführte Sperrklinke dar. Dargestellt ist eine Stellung, in der eine Drehung der Nockenwelle im Uhrzeigersinn die höchste Winkelgeschwindigkeit der Schleife gegen den Uhrzeigersinn bewirkt, die aber mit dem kleinsten Drehmoment an der Schleife einhergeht. Sie ist daher für eine Schaltung zu einem kleineren Ventilhub geeignet. Im Beispiel ist eine Lochtrommel 37 mit sieben Zylinderstiften, bzw. Sperrklinken, jeweils in Abständen von 360°/7 = 51,429° für sieben Positionen der Verstellwelle 17 dargestellt. Die dargestellte Winkelamplitude der Schleife beträgt 28°, sodass die doppelte Winkelamplitude um den Faktor 2x28/51,429 = 1,09 grösser als der Verstellwinkel ist. Das Verdrehspiel beträgt 4,571°.
Es versteht sich, dass die Lochtrommel 37 wie voranstehend in Bezug auf die Schleife 36 beschrieben auch in ganz analoger Weise mit der Schwinge 23 zusammenwirken kann, wie sie zu den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 4 und 5 beschrieben worden ist. Hierzu muss die Schwinge 23 nur in ihrem Nabenbereich so ausgebildet sein wie dies voranstehend in Bezug auf den Nabenbereich der Schleife 36 beschrieben ist.
An dieser Stelle sei auch darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch die voranstehend in Bezug auf die Schwinge 23 beschriebene, eine Zahnscheibe 26 und eine mit der Verzahnung dieser Zahnscheibe 26 zusammenwirkende Sperrklinke 25 aufweisende, Schaltvorrichtung mit der Schleife 36 zusammenwirken kann. Die beschrieben Wendegetriebe (Kurbelschwinge und Kurbelschleife) und die beschriebenen Schaltvorrichtungen (Zahnscheibe 26 mit Sperrklinke 25 und Lochtrommel 37 mit Zylinderstiften 40) lassen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung beliebig miteinander kombinieren.
Figur 7 stellt einen Längsschnitt durch die Verstellvorrichtung nach Figur 6 entsprechend der Schnittangabe C-C dar. Zu sehen ist die im Gehäuse 2 gelagerte Verstellwelle 17, die auf ihr gelagerte Schleife 36 und die aufgepresste Lochtrommel 37. In einer der dargestellten Bohrungen 38 der Lochtrommel 37 befindet sich ein Zylinderstift 40 in der Ausgangsposition, in einer anderen Bohrung 38 der Zylinderstift 40a in der geschalteten Position. Die als Sperrklinken wirkenden Zylinderstifte 40 werden also in der Lochtrommel 37 durch Schubgelenke geführt, die durch die Mantelflächen 39 der Zylinderstifte 40 und die Wandungen der Bohrungen 38 gebildet werden. Der jeweils zu schaltende Zylinderstift 40 wird durch einen nicht dargestellten Elektromagnet in die geschaltete Position gebracht. Je nach gewünschter Verstellrichtung , zu grösserem oder zu kleinerem Ventilhub, muss dies im Bereich der einen oder der anderen Endlage geschehen.
Figur 8 zeigt perspektivisch eine Schwinge 23, die zum Zusammenwirken mit einer nicht dargestellten Lochtrommel analog zu den Fig. 6 und 7 ausgebildet ist. Die Schwinge 23 weist im Bereich der Nabe die Ausnehmung 41 zur Mitnahme eines Zylinderstifts mit Lochtrommel samt Verstellwelle im Uhrzeigersinn und die Ausnehmung 42 für die Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn auf. Bei jeweils entgegengesetzter Drehung der Schwinge 23 im Rücklauf wird der zuvor geschaltete und als Sperrklinke wirkende Zylinderstift (nicht dargestellt) entlang einer der Rampen 43 in seine Ausgangsposition zurückgeschoben, sodass ein Freilauf der Lochtrommel (nicht dargestellt) entsteht.
Figur 9 zeigt eine Kurvenscheibe 16, welche im Bereich der geschalteten Positionen I - VII durch zur Achse der Verstellwelle konzentrische Kreisbogenabschnitte R1 bis R7 gebildet ist, die sich jeweils über einen Winkel von 4° erstrecken.

Verzeichnis der Bezugszahlen

1: Ventilsteuerung
2: Gehäuse
3: Nockenwelle
4: Nocken
5: Schlepphebelrolle
6: Schlepphebel
7: Ventil
8: Hydraulisches Ventilspielausgleichselement
9: Zwischenglied
10: Nockenrolle
11: Steuerkurve
12: Zwischengehäuse
13: Drehachse des Zwischengliedes
14: Drehachse des Zwischengehäuses
15: Stössel
16: Kurvenscheibe
17: Verstellwelle
18: Steuerabschnitt
19: Rastabschnitt
20: Symmetrieebene
21: Zapfen (Zwischengehäuse)
22: Spiralfeder
23: Schwinge
24: Drehgelenk für Sperrklinke
25: Sperrklinke
26: Zahnscheibe für Sperrklinke
27: Kurbelzapfen
28: Kurbelwange
29: Pleuelstange
30: linker Zahn der Sperrklinke
31: rechter Zahn der Sperrklinke
32: Zahnflanke
33: Elektromagnet
34: Blattfeder
35: Schwingenlager
36: Schleife
37: Lochtrommel
38: Bohrungen (in Lochtrommel)
39: Mantelfläche der Zylinderstifte
40: Zylinderstifte
40a: geschalteter Zylinderstift
41: Ausnehmung
42: Ausnehmung
43: Rampen

Claims

Verstellvorrichtung für variable Ventilsteuerungen von Verbrennungsmotoren, umfassend eine drehbar gelagerte Verstellwelle (17) zur Verstellung der Ventilbewegung sowie auf die Verstellwelle (17) einwirkende, eine Verstelldrehung dieser bewirkende Betätigungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsmittel mindestens umfassen
a) ein mechanisches Wendegetriebe (28, 27, 29, 23; 28, 27, 36), welches die für die Verstelldrehung erforderliche Verstellleistung von der Kurbelwelle des Motors oder einer anderen umlaufenden Welle, deren Drehung von der Kurbelwelle abgeleitet ist, ableitet,

b) schaltbare Kupplungsmittel (24, 25, 26; 37, 38, 39, 40) zur Übertragung der Verstellleistung von dem Wendegetriebe (28, 27, 29, 23; 28, 27, 36) auf die Verstellwelle (17),

a) wobei das Wendegetriebe eine Kurbelschwinge (27, 28, 23) oder eine Kurbelschleife (27, 28, 36) aufweist, deren Kurbel (27,28) an der im Motor umlaufenden Welle angebracht ist, von der die Verstellleistung entnommen wird und deren Schwinge (23) oder Schleife (36) vorzugsweise koaxial zur Verstellwelle (17) gelagert und mit dieser direkt oder indirekt durch eine Schaltkupplung verbindbar ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbaren Kupplungsmittel (24, 25, 26; 37, 38, 39, 40) in das mechanische Wendegetriebe integriert oder unmittelbar mit diesem gekoppelt sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Entnahme der Verstellleistung von einer Nockenwelle (3).
Verstellvorrichtung nach den voranstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelte Winkelamplitude der Schwinge (23) oder Schleife (36) grösser ist als der Verstellwinkel der Verstellwelle (17).
Verstellvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine doppelte Winkelamplitude der Schwinge (23) oder Schleife (36), die 2 bis 10% grösser ist als der Verstellwinkel der Verstellwelle (17).
Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkupplung zwischen Schwinge (23) oder Schleife (36) und Verstellwelle (17) durch einen zweiseitig wirkenden, schaltbaren Sperrklinkenfreilauf gebildet wird.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die beiden Drehrichtungen zwei getrennte Sperrklinken vorgesehen sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für beide Drehrichtungen eine gemeinsame, doppelt wirkende Sperrklinke (25) vorgesehen ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch je eine separate, beispielsweise durch einen Zylinderstift (40) gebildete Sperrklinke für jede Schaltposition der Verstellwelle (17).
Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrklinke (25) oder die Sperrklinken an der Schwinge (23) oder Schleife (36) angebracht ist oder sind und die zugehörige Verzahnung an der Verstellwelle (17) oder an einem mit dieser drehfest verbundenen Bauteil (26, 37) vorgesehen ist.
Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrklinke (25) oder die Sperrklinken an der Verstellwelle (17) oder an einem mit dieser drehfest verbundenen Bauteil (37, 26) angebracht ist oder sind und die zugehörige Verzahnung in Form von Ausnehmungen (41, 42) an der Schwinge (23) oder Schleife (36) vorgesehen ist.
Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 11, gekennzeichnet durch Drehgelenke (24) zur Führung der Sperrklinken (25).
Verstellvorrichtung nach den Ansprüchen 6 bis 11, gekennzeichnet durch Schubgelenke (38, 39) zur Führung der als Stifte, insbesondere Zylinderstifte (40) ausgebildeten Sperrklinken.
Verstellvorrichtung nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch einen vom Motormanagement ansteuerbaren elektrischen Hubmagneten (33) zur Aktivierung der jeweils zu schaltenden Sperrklinke.
Verstellvorrichtung nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch fünf bis sieben schaltbare Winkelpositionen der Verstellwelle (17), die jeweils im Abstand des Verstellwinkels zueinander angeordnet sind und das gesamte Ventilhubspektrum vom Nullhub des Ventils (7) bis zum Vollhub abdecken.
Verstellvorrichtung nach den voranstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Verstellwelle (17) verschieden geformte Kurvenscheiben (16) angebracht sind, die bei einer einzigen Verstelldrehung der Verstellwelle (17) unterschiedliche Ventilsteuerbewegungen der ihnen zugeordneten Ventile (7) bewirken.
Verstellvorrichtung nach den voranstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch Kurvenscheiben (16), die im Bereich der Eingriffspunkte der geschalteten Positionen als zur Achse der Verstellwelle (17) konzentrische Kreisbögen geformt sind.