EP2171221A2 - Schlepphebel für einen ventiltrieb einer brennkraftmaschine - Google Patents

Schlepphebel für einen ventiltrieb einer brennkraftmaschine

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EP2171221A2
EP2171221A2 EP08774123A EP08774123A EP2171221A2 EP 2171221 A2 EP2171221 A2 EP 2171221A2 EP 08774123 A EP08774123 A EP 08774123A EP 08774123 A EP08774123 A EP 08774123A EP 2171221 A2 EP2171221 A2 EP 2171221A2
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EP
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contact
valve
curvature
contact areas
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    • F01L2820/02—Formulas

Definitions

  • contact surface with two different radii ranges has the favorable property that the kinematic and hydrodynamic contact relationships between the contact surface of the finger lever and the shaft end surface of the Tellerhubventils largely independent of additional factors resulting from the changed Ventiltriebskinematik with deactivated valve lift, optimally can be adjusted.
  • These influencing variables are, in particular, the contact between the contact surface of the drag lever and the shaft end surface of the disk stroke valve which migrates in the longitudinal direction of the drag lever or, in short, the so-called emigration.
  • the known contact surface with two different but constant radii over the respective contact area and correspondingly constant curvatures can be disadvantageous in that the profile point does not start with the actual radii / curvature Contact point on the contact surface during the stroke-free base circle phase of the cam coincides. Starting from the base circle phase, the profile change between the contact regions as a result of a bending jump would then lead to abruptly changing contact conditions between the drag lever and the Tellerhubventil in the course of the lifting phase of the cam.
  • the aforementioned deviation of the profile point from the actual contact point can also be accompanied by undesired contact pressures. This is the case, for example, when at the beginning and at the end of a large valve lift the contact area with a small radius and a correspondingly large curvature is in engagement with the shaft end surface of the plate-lifting valve.
  • the present invention is therefore the object of a drag lever of the type mentioned in such a way that the disadvantages mentioned are eliminated with simple means and in terms of manufacturing costs of the rocker arm substantially cost neutral.
  • At least one of the contact regions has a profile profile with a continuously variable curvature, wherein the curvatures of the contact regions at the profile point are substantially the same size.
  • a profiled contact surface can in the profile point as a starting point to the contact areas a kinematic jerk-free, i. significantly smoother profile change can be achieved than is possible in the case of the known contact surface with different, but partially constant radii / curvatures.
  • the so-called jerk in the profile point which is unavoidable in a curvature jump due to the coincidence of different radii, can be effectively eliminated.
  • the contact surface can then contact the shaft end face also eccentric during the base circle phase of the cam -ideally at Profiltician- so that the proven kinematic and tribological contact conditions are maintained with activated valve lift, while at deactivated valve lift which then opposite running emigration of the contact surface on the shaft end surface can be kept very small.
  • Another possibility consists in a reversed assignment of the contact areas to the different valve lifts. Accordingly, it can also be provided to adapt the contact region with continuously variable curvature to the activated valve lift and the contact region with constant curvature at a comparatively small radius to the deactivated valve lift.
  • FIG. 3 shows a profile view of the contact surface of the finger lever according to FIG. 1 .
  • the contact region K x Compared to the reference region K 2 , whose curvature is by definition 1 / R 2 , the contact region K x according to the invention has a significantly smaller curvature in the vicinity of the profile point P 0 , which at the profile point P 0 with the curvature 1 / R 1 of the contact region K 1 is essentially identical. This fact is clarified in the additional detailed diagram placed on the ordinate, which highlights the profile profiles of the contact areas K 1 , K x and K 2 at profile point P 0 according to detail Z.

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Description

Bezeichnung der Erfindung
Schlepphebel für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Schlepphebel für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Tellerhubventil, dessen Schaftendenfläche über eine Kontaktfläche des Schlepphebels mit wenigstens zwei unterschiedlichen Ven- tilhüben beaufschlagbar ist. Dabei weist die Kontaktfläche ein in Längsrichtung des Schlepphebels konvex gekrümmtes Profil mit zumindest einem Profilpunkt auf, von dem zwei Kontaktbereiche mit voneinander verschiedenen und jeweils an einen der Ventilhübe angepassten Profilverläufen ausgehen.
Hintergrund der Erfindung
Ein derartiger Schlepphebel ist aus der als gattungsbildend betrachteten DE 10 2004 049 836 A1 bekannt. Der dort vorgeschlagene Schlepphebel weist zur Betätigung des Tellerhubventils eine Kontaktfläche auf, deren Profil sich aus zwei kreisbogenförmigen Kontaktbereichen mit unterschiedlich großen Radien zusammensetzt. Der erste Kontaktbereich mit großem Radius ist an einen konventionellen, vom Nocken einer Nockenwelle auf das Tellerhubventil übertragenen Ventilhub angepasst, während der zweite Kontaktbereich mit kleinem Radius an einen deaktivierten Ventilhub angepasst ist. Dieser deaktivierte Ven- tilhub oder Ventilnullhub wird dadurch erzeugt, dass der vom Nocken vorgegebene Hub nicht auf das Tellerhubventil übertragen, sondern von einem den Schlepphebel lagernden, schaltbaren Abstützelement aufgenommen wird. Die in der zitierten Druckschrift offenbarte Kontaktfläche mit zwei unterschiedlichen Radienbereichen besitzt die günstige Eigenschaft, dass die kinematischen und hydrodynamischen Kontaktverhältnisse zwischen der Kontaktfläche des Schlepphebels und der Schaftendenfläche des Tellerhubventils weitgehend unabhängig von zusätzlichen Einflussgrößen, die sich aus der veränderten Ventiltriebskinematik bei deaktiviertem Ventilhub ergeben, optimal eingestellt werden können. Bei diesen Einflussgrößen handelt es sich insbesondere um den in Längsrichtung des Schlepphebels auswandernden Kontakt zwischen der Kontaktfläche des Schlepphebels und der Schaftendenfläche des Tellerhubventils oder kurz um die sogenannte Auswanderung. Unter Berücksichtigung der mitunter erheblichen Bauteiltoleranzketten innerhalb des Ventiltriebs kann allerdings die bekannte Kontaktfläche mit zwei zwar unterschiedlichen, über den jeweiligen Kontaktbereich jedoch konstanten Radien und entspre- chend konstanten Krümmungen dahingehend nachteilig sein, dass der Profilpunkt als Ausgangspunkt der unterschiedlichen Radien/Krümmungen nicht mit dem tatsächlichen Kontaktpunkt auf der Kontaktfläche während der hubfreien Grundkreisphase des Nockens übereinstimmt. Ausgehend von der Grundkreisphase würde dann der Profilwechsel zwischen den Kontaktbereichen infolge eines Krümmungssprungs zu sich abrupt verändernden Kontaktbedingungen zwischen dem Schlepphebel und dem Tellerhubventil im Laufe der Hubphase des Nockens führen. Neben unerwünschten Schwingungsanregungen des Ventiltriebs kann die vorgenannte Abweichung des Profilpunkts vom tatsächlichen Kontaktpunkt auch mit unerwünschten Kontaktpressungen einhergehen. Dieses ist beispielsweise dann der Fall, wenn sich zum Beginn und zum Ende eines großen Ventilhubs noch der Kontaktbereich mit kleinem Radius und entsprechend großer Krümmung in Eingriff mit der Schaftendenfläche des Tellerhubventils befindet. Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schlepphebel der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die genannten Nachteile mit einfachen Mitteln und hinsichtlich der Herstellkosten des Schlepphebels im wesentlichen kostenneutral beseitigt sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 , während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach ist es vorgesehen, dass zumindest einer der Kontaktbereiche einen Profilverlauf mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung aufweist, wobei die Krümmungen der Kon- taktbereiche am Profilpunkt im wesentlichen gleich groß sind.
Durch eine derartig profilierte Kontaktfläche kann im Profilpunkt als Ausgangspunkt zu den Kontaktbereichen ein kinematisch ruckfreier, d.h. deutlich sanfterer Profilwechsel erzielt werden, als es im Falle der bekannten Kontaktfläche mit unterschiedlichen, bereichsweise jedoch konstanten Radien/Krümmungen möglich ist. Mit anderen Worten kann der sogenannte Ruck im Profilpunkt, welcher bei einem Krümmungssprung aufgrund des Zusammentreffens unterschiedlicher Radien unvermeidbar ist, wirksam beseitigt werden.
Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung machen sich insbesondere bei zunehmenden Bauteiltoleranzen des Ventiltriebs entsprechend einer vergleichsweise großen Abweichung des Profilpunkts vom tatsächlichen Kontaktpunkt bemerkbar, da zum einen der sanfte Profilwechsel zu keiner unzulässig hohen Schwingungsanregung im Ventiltrieb führt und zum anderen in der Nähe des Profilpunkts eine geringe Krümmung beider Kontaktbereiche zugunsten niedriger Kontaktpressungen vorgesehen werden kann. In Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kontaktbereich mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung einen logarithmischen Profilverlauf K(x) = Ci * In [1/(1 - C2 * xa)] aufweist. Dabei handelt es sich bei Ci und C2 um Konstanten, bei x um die vom Profilpunkt in Längsrichtung des Schlepphebels ausgehende Profil koordinate und bei dem Exponenten a um eine reelle Zahl. Durch diese, hinsichtlich des natürlichen Logarithmus konkrete und hinsichtlich der variablen Parameter generische Profilbeschreibung des Kontaktbereichs ist dem Fachmann auf dem Gebiet von Ventiltrieben ein in sinnvollen technischen und mathematischen Grenzen hilfreiches Optimierungswerkzeug zur Profilges- taltung der Kontaktfläche des Schlepphebels an die Hand gegeben.
Abweichend zur Euler-Zahl e als Basis des natürlichen Logarithmus ist selbstverständlich auch jede andere Basis zur mathematischen Beschreibung von Profilverläufen denkbar, durch welche sich in Verbindung mit angepassten Pa- rametern im Sinne der Erfindung mechanisch, kinematisch und tribologisch geeignete Kontaktbedingungen zur Schaftendenfläche des Tellerhubventils darstellen lassen.
Außerdem ist es vorgesehen, dass zumindest einer der Kontaktbereiche einen kreisbogenförmigen Profilverlauf mit konstanter Krümmung aufweist. Diesbezüglich kann es besonders vorteilhaft sein, wenn genau zwei Kontaktbereiche vorgesehen sind, wobei der Kontaktbereich mit konstanter Krümmung an einen aktivierten Ventilhub und der Kontaktbereich mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung an einen deaktivierten Ventilhub angepasst sind. Insbesondere in diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn der Kontaktbereich mit veränderlicher Krümmung ein insgesamt steileres Profil als der Kontaktbereich mit konstanter Krümmung aufweist. Wie bei der kinematischen Auslegung von Ventiltrieben mit lediglich einem Ventilhub allgemein üblich, kann die Kontaktfläche die Schaftendenfläche dann ebenfalls exzentrisch während der Grundkreisphase des Nockens -idealerweise am Profilpunkt- kontaktieren, so dass die bewährten kinematischen und tribologischen Kontaktverhältnisse bei aktiviertem Ventilhub beibehalten werden, während bei deaktiviertem Ventilhub die dann ent- gegengesetzt verlaufende Auswanderung der Kontaktfläche auf der Schaftendenfläche sehr klein gehalten werden kann.
Alternativ zu dem vorgenannten Kontaktbereich mit konstanter Krümmung be- steht jedoch auch die Möglichkeit, beide Kontaktbereiche mit kontinuierlich veränderlichen und im Profilpunkt gleich großen Krümmungen zu versehen und diese jeweils an den aktivierten Ventilhub bzw. den deaktivierten Ventilhub anzupassen.
Eine weitere Möglichkeit besteht in einer vertauschten Zuordnung der Kontaktbereiche zu den unterschiedlichen Ventilhüben. Demnach kann es auch vorgesehen sein, den Kontaktbereich mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung an den aktivierten Ventilhub und den Kontaktbereich mit konstanter Krümmung bei vergleichsweise kleinem Radius an den deaktivierten Ventilhub anzupassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert ist. Es zeigen:
Figur 1 einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Schlepphebel im Längsschnitt;
Figur 2 ein für den Ventiltrieb gemäß Figur 1 vorgesehenes schaltbares
Abstützelement und
Figur 3 eine Profildarstellung der Kontaktfläche des Schlepphebels gemäß Figur 1. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist ein Ventiltrieb 1 einer Brennkraftmaschine mit einem Schlepphebel 2 offenbart, der in an sich bekannter Art und Weise einenends auf einem stationär in der Brennkraftmaschine angeordneten Abstützelement 3 schwenkbeweglich gelagert ist und eine drehbare Rolle 4 zum Abgriff eines Nockens 5 einer Nockenwelle aufweist. Der hier spanlos aus Blechwerkstoff umgeformte Schlepphebel 2 weist anderenends einen Quersteg 6 mit einer Kontaktfläche 7 für die Schaftendenfläche 8 eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Tellerhubventils 9 auf. Wie es bereits in Figur 1 deutlich erkennbar ist und anhand Figur 3 im Detail erläutert wird, weist die Kontaktfläche 7 ein in Längsrichtung des Schlepphebels 2 konvex gekrümmtes Profil auf, das zwei Kontaktbereiche mit voneinander verschiedenen Profilverläufen umfasst. Die Gestaltung der Kontaktfläche 7 ermöglicht es, den Schlepphebel 2 nach dem Gleichteile- prinzip nicht nur in Verbindung mit dem konventionellen, nicht schaltbaren Abstützelement 3, sondern auch in Verbindung mit einem schaltbaren Abstützelement 10, wie es im Stand der Technik in diversen Ausgestaltungen bekannt und exemplarisch in Figur 2 dargestellt ist, zu verwenden. Mit anderen Worten kann es vorgesehen sein, den Ventiltrieb 1 der Brennkraftmaschine mit glei- chen Schlepphebeln 2 auszustatten, die teilweise auf nicht schaltbaren Abstützelementen 3 und teilweise auf schaltbaren Abstützelementen 10 gelagert sind, so dass nur ein Teil der Tellerhubventile 9 mit einem variablen Ventilhub beaufschlagt ist.
Im Falle des schaltbaren Abstützelements 10 handelt es sich bei dem variablen Ventilhub um einen betriebspunktabhängig vollständig deaktivierten Ventilhub oder Ventilnullhub durch Unterbrechung der Übertragung des Nockenhubs auf das Tellerhubventil 9. In diesem Betriebszustand wird der Nockenhub bei dann entgegengesetzt schwenkendem Schlepphebel 2 vom schaltbaren Abstützele- ment 10 aufgenommen. Die Funktion und der Aufbau des bekannten schaltbaren Abstützelements 10 können an dieser Stelle dahingehend zusammenge- fasst werden, dass das schaltbare Abstützelement 10 ein in einem Gehäuse 11 entgegen der Kraft einer Lost-Motion-Feder 12 längsbeweglich gelagertes Schwenklager 13 für den Schlepphebel 2 sowie einen hier hydraulisch angesteuerten Verriegelungsmechanismus 14 umfasst, durch den eine formschlüs- sig wirkende Abstützung des Schwenklagers 13 im Außengehäuse 11 herstell- bar oder lösbar ist.
Das Profil der Kontaktfläche 7 ist in Figur 3 in Diagrammform stark vergrößert dargestellt. Dabei wurde die in Figur 1 dargestellte Orientierung der Kontaktfläche 7 beibehalten, d.h. der rechtsseitig der Ordinate y dargestellte und mit Kx bezeichnete Kontaktbereich ist der Rolle 4 zugewandt und der linksseitig der Ordinate y dargestellte und einen kreisbogenförmigen Profilverlauf mit Radius Ri aufweisende Kontaktbereich K1 ist der Rolle 4 abgewandt. Der Nullpunkt der Abszisse x entspricht einem Profilpunkt P0, von dem die beiden Kontaktbereiche Kx und K1 ausgehen, wobei x die Entfernungskoordinate vom Profilpunkt P0 in mm angibt. Gegenüber einem mit dünner Linie ebenfalls eingezeichneten Referenzbereich K2 mit kreisbogenförmigem Profilverlauf und Radius R2 gemäß dem eingangs zitierten Stand der Technik, weist der Kontaktbereich Kx einen natürlich logarithmischen Profilverlauf K(x) auf. Geometrisch entspricht dieser Profilverlauf K(x) der oben links im Diagramm angegebenen Auslegungsformel mit den darunter angegebenen Parametern C1, C2 und a.
Gegenüber dem Referenzbereich K2, dessen Krümmung definitionsgemäß 1/R2 beträgt, weist der erfindungsgemäße Kontaktbereich Kx in der Nähe des Profilpunkts P0 eine deutlich kleinere Krümmung auf, die am Profilpunkt P0 mit der Krümmung 1/R1 des Kontaktbereichs K1 im wesentlichen identisch ist. Dieser Sachverhalt ist in dem zusätzlichen, auf die Ordinate gelegten Detaildiagramm verdeutlicht, das gemäß dem Detail Z die Profilverläufe der Kontaktbereiche K1, Kx und K2 am Profilpunkt P0 hervorhebt. Der linksseitig der Ordinate y verlaufende Kontaktbereich K1 mit Radius R1 und der Kontaktbereich Kx mit logarith- mischem Profilverlauf K(x) weisen am Profilpunkt P0 die im wesentlichen identische Krümmung 1/R1 auf, während die Krümmung 1/R2 des Referenzbereichs K2 deutlich größer ist und im Profilpunkt P0 zu einem Ruck infolge des Krüm- mungssprungs führen würde. Folglich ergibt sich bei der betriebsmäßigen Wälz-Gleit-Bewegung der Kontaktfläche 7 auf der Schaftendenfläche 8 ein sanfter, d.h. kinematisch ruckfreier Übergang zwischen den Kontaktbereichen K1 und Kx, wenn der Profilpunkt P0 aufgrund von Bauteiltoleranzen nicht wäh- rend der Grundkreisphase des Nockens 5, sondern erst im Verlauf von dessen Hubphase in Eingriff mit der Schaftendenfläche 8 kommt. Je nach Lage der Bauteiltoleranzen, d.h. der Abweichung des Profilpunkts P0 von dem tatsächlichen Kontaktpunkt während der Grundkreisphase des Nockens 5, gilt dieser Sachverhalt entweder für den aktivierten Ventilhub oder für den deaktivierten Ventilhub.
Ein weiterer Vorteil der so profilierten Kontaktfläche 7 betrifft die Flächenpressungen im Kontakt bei aktiviertem Ventilhub, da der Kontaktbereich Kx veränderlicher Krümmung am Profilpunkt P0 und in dessen Nähe eine deutlich gerin- gere Krümmung als der Referenzbereich K2 aufweist. Folglich würde in dem Fall, in welchem der Profilpunkt P0 toleranzbedingt erst im Laufe des aktivierten Ventilhubs in wirksamen Eingriff mit der Schaftendenfläche 8 gelangt, vorher auch der Kontaktbereich Kx den dann hohen Kontaktkräften infolge Ventilbeschleunigung und Ventilfederkraft ausgesetzt werden. Die entsprechenden Kontaktpressungen können jedoch aufgrund der vergleichsweise niedrigen Krümmung des Kontaktbereichs Kx in der Nähe des Profilpunkts P0 auf demselben niedrigen Niveau gehalten werden, das sich bei dem Kontaktbereich K1 mit kreisbogenförmigem Profilverlauf und vergleichsweise niedriger Krümmung 1/R1 einstellt.
Wie bereits eingangs erläutert, weist der Kontaktbereich Kx mit veränderlicher Krümmung ein insgesamt steileres Profil als der kreisbogenförmige Kontaktbereich K1 auf. Die bei deaktiviertem Ventilhub entsprechend kleine und zunächst in Richtung der Rolle 4 verlaufende Auswanderung der Kontaktfläche 7 auf der Schaftendenfläche 8 wird hierdurch sehr klein gehalten. Wie es bei der kinematischen Auslegung von Ventiltrieben mit lediglich einem Ventilhub allgemein üblich ist, kann folglich auch der Profilpunkt P0 die Schaftendenfläche 8 exzent- risch und hier zur Rolle 4 hin versetzt während der Grundkreisphase des Nockens 5 kontaktieren, so dass die bewährten kinematischen und tribologischen Kontaktverhältnisse zwischen der Kontaktfläche 7 und der Schaftendenfläche 8 bei aktiviertem Ventilhub beibehalten werden.
Liste der Bezugszeichen
1 Ventiltrieb
2 Schlepphebel
3 Abstützelement
4 Rolle
5 Nocken
6 Quersteg
7 Kontaktfläche
8 Schaftendenfläche
9 Tellerhubventil
10 schaltbares Abstützelement
11 Gehäuse
12 Lost-Motion-Feder
13 Schwenklager
14 Verriegelungsmechanismus
Kx Kontaktbereich mit veränderlicher Krümmung K1 Kontaktbereich mit konstanter Krümmung
K2 Referenzbereich
P0 Profilpunkt
Ri Radius des Kontaktbereichs mit konstanter Krümmung
R2 Radius des Referenzbereichs

Claims

Patentansprüche
1. Schlepphebel (2) für einen Ventiltrieb (1 ) einer Brennkraftmaschine mit einem Tellerhubventil (9), dessen Schaftendenfläche (8) über eine Kontaktfläche (7) des Schlepphebels (2) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Ventilhüben beaufschlagbar ist, wobei die Kontaktfläche (7) ein in Längsrichtung des Schlepphebels (2) konvex gekrümmtes Profil mit zumindest einem Profilpunkt (P0) aufweist, von dem zwei Kontaktbereiche (K1, Kx) mit voneinander verschiedenen und jeweils an einen der Ventilhübe angepassten Profilverläufen ausgehen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Kontaktbereiche (K1, Kx) einen Profilverlauf mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung aufweist, wobei die Krümmungen der Kontaktbereiche (K1, Kx) am Profilpunkt (P0) im wesentlichen gleich groß sind.
2. Schlepphebel (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktbereich (Kx) mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung einen logarithmischen Profilverlauf K(x) = C1 * In [1/(1 - C2 * xa)] aufweist, wobei es sich bei C1 und C2 um Konstanten, bei x um die vom Profilpunkt (P0) in
Längsrichtung des Schlepphebels (2) ausgehende Profilkoordinate und bei dem Exponenten a um eine reelle Zahl handelt.
3. Schlepphebel (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zu- mindest einer der Kontaktbereiche (K1, Kx) einen kreisbogenförmigen Profilverlauf mit konstanter Krümmung aufweist.
4. Schlepphebel (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Kontaktbereiche (K1, Kx) vorgesehen sind, wobei der Kontaktbe- reich (K1) mit konstanter Krümmung an einen aktivierten Ventilhub und der Kontaktbereich (Kx) mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung an einen deaktivierten Ventilhub angepasst sind.
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