EP2459849B1

EP2459849B1 - Ventiltriebvorrichtung

Info

Publication number: EP2459849B1
Application number: EP10728139.6A
Authority: EP
Inventors: Tobias SCHÄDEL; Sven Skorupa
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2019-10-09
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: JP5293982B2; DE102009034990A1; CN102472123A; EP2459849A1; US20120138000A1; WO2011012189A1; JP2013500424A; US8893678B2; CN102472123B

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventiltriebvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 39 43 426 C1 ist bereits eine Brennkraftmaschinenventiltriebvorrichtung mit einer ersten Nockenwelleneinheit, die eine Außenwelle und mit der Außenwelle verbundene Primärnocken aufweist, mit einer zweiten Nockenwelleneinheit, die eine in der Außenwelle geführte Innenwelle und mit der Innenwelle verbundene Sekundärnocken aufweist, und mit einer Verstelleinheit, die dazu vorgesehen ist, die beiden Nockenwelleneinheiten gegeneinander zu verstellen, bekannt.
Aus der DE 10 2007 037747 A1 ist bereits eine Brennkraftmaschinenventiltriebumschaltvorrichtung mit einer Umschalteinheit bekannt, die eine Ausführeinheit aufweist, welche dazu vorgesehen ist, aufgrund zumindest eines Signals einen ersten Schaltvorgang und danach unabhängig von einer elektronischen Auswertung einen zweiten Schaltvorgang auszuführen. Die Brennkraftmaschinenventiltriebumschaltvorrichtung umfasst eine Steuerkulisse, welche von wenigstens zwei Schalteinheiten der Ausführeinheit gebildet ist.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Ventiltriebvorrichtung bereitzustellen. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung geht aus von einer Ventiltriebvorrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschinenventiltriebvorrichtung, mit einer ersten Nockenwelleneinheit, die eine Außenwelle und mit der Außenwelle verbundene Primärnocken aufweist, mit einer zweiten Nockenwelleneinheit, die eine in der Außenwelle geführte Innenwelle und mit der Innenwelle verbundene Sekundärnocken aufweist, und mit einer Verstelleinheit, die dazu vorgesehen ist, die beiden Nockenwelleneinheiten gegeneinander zu verstellen.
Es wird vorgeschlagen, dass die Verstelleinheit dazu vorgesehen ist, eine zumindest zweistufig sequentielle Ventilhubumschaltung bereitzustellen, wobei die zweite der Nockenwelleneinheiten zumindest zwei Wellenelemente aufweist, die dazu vorgesehen sind, in zumindest einem Schaltvorgang sequentiell nacheinander verschoben zu werden. Durch die zweistufig sequentielle Ventilhubumschaltung kann eine Ausgestaltung der Ventiltriebvorrichtung zur Umschaltung der Primärnocken und/oder Sekundärnocken vereinfacht werden. Insbesondere können dadurch die Kosten einer Herstellung der Primärnocken und/oder Sekundärnocken reduziert werden, wodurch eine besonders kostengünstige Ventiltriebvorrichtung bereitgestellt werden kann. Unter "vorgesehen" soll insbesondere speziell ausgestattet und/oder ausgelegt verstanden werden. Unter einer "zweistufig sequentiellen Ventilhubumschaltung" soll insbesondere ein Schaltvorgang verstanden werden der nacheinander, in zumindest zwei Schritten, eine Ventilhubumschaltung bewirkt. Unter einem "Schaltvorgang" soll dabei insbesondere ein axiales Verschieben von zumindest einem Teil der zweiten der Nockenwelleneinheiten verstanden werden. Die Primärnocken und/oder Sekundärnocken weisen vorteilhafterweise zumindest zwei unterschiedliche Nockenkurven auf, die durch eine axiale Verschiebung zumindest einer der Nockenwelleneinheiten umgeschaltet werden können und somit eine Ventilhubumschaltung bereitstellen. Durch die mehrteilige Ausführung der Innenwelle kann eine sequentielle Ventilhubumschaltung auf einfacher Weise realisiert werden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Wellenelemente dazu vorgesehen sind, zumindest einen Teil der Innenwelle auszubilden. Dadurch kann ein sequentielles Verschieben der Innenwelle, und damit eine sequentielle Ventilhubumschaltung, auf besonders einfache Weise realisiert werden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die zumindest zwei Wellenelemente drehfest und axial verschiebbar miteinander verbunden sind. Dadurch kann auf eine aufwendige getrennte Kopplung der Wellenelemente an eine Kurbelwelle verzichtet werden, wobei zeitgleich die sequentielle Verschiebung der mehrteilig ausgeführten Innenwelle vorteilhaft möglich ist.
Besonders bevorzugt ist, dass zumindest eine der Sekundärnocken zumindest zwei Teilnocken aufweist, die zur Bereitstellung unter-schiedlicher Ventilhübe vorgesehen sind. Durch die Ausbildung der Primärnocken und/oder der Sekundärnocken als Teilnocken, kann eine Fertigung der Primärnocken und/oder der Sekundärnocken mit unterschiedlichen Nockenkurven besonders kosten-günstig erfolgen. Insbesondere kann dadurch auf eine aufwendige Fertigung von Nocken mit dreidimensional kontinuierlich ineinander übergehenden Nockenkurven verzichtet werden. Die Teilnocken weisen vorteilhafterweise zumindest unterschiedliche Hubhöhen
auf, wodurch durch die Verschiebung der Sekundärnocken eine besonders vorteilhafte Ventilhubumschaltung bereitgestellt wird.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Verstelleinheit zumindest eine Schaltkulisse umfasst, die dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Teil der Sekundärnocken axial zu verschieben. Dadurch kann eine einfache und wartungsarme Verschiebung der Sekundärnocken erreicht werden. Unter einer "Schaltkulisse" soll insbesondere eine Ausgestaltung verstanden werden, die eine Drehbewegung des Wellenelements in eine axiale Kraft zum Verstellen des Wellenelements umsetzt. Vorzugsweise weist die Schaltkulisse zumindest eine Kulissenbahn auf, in die vorteilhafterweise ein axial fixierter Schaltpin einspurt, der mittels der Schaltkulisse die axiale Kraft erzeugt. Im Allgemeinen kann eine Verschiebung der Wellenelemente auch in einer anderen, dem Fachmann bekannten, Weise erfolgen, wie beispielsweise mittels hydrodynamischen, elektronischen und/oder pneumatischen Aktuatoren. Vorteilhafterweise ist die Schaltkulisse zur sequentiellen Verschiebung der beiden Wellenelemente der Innenwelle vorgesehen.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Schaltkulisse dazu vorgesehen ist, die zumindest zwei Wellenelemente zur sequentiellen Verschiebung zumindest teilweise bewegungstechnisch miteinander zu koppeln. Dadurch kann eine Anzahl von Kulissenbahnen der Schaltkulisse vorteilhaft gering gehalten werden, wodurch die Schaltkulisse in vorteilhaft kompakter Form aufgebaut werden kann. Unter "teilweise bewegungstechnisch miteinander gekoppelt" soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die Schaltkulisse dazu vorgesehen ist, über ein in die Schaltkulisse eingreifendes Schaltmittel ein Verschieben der Wellenelemente miteinander zu koppeln. Insbesondere soll darunter verstanden werden, dass die Schaltkulisse zumindest eine Kulissenbahn aufweist, die zur sequentiell-Verschiebung beider Wellenelemente vorgesehen ist.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn die Ventiltriebvorrichtung eine Formschlusseinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, zumindest in einem Betriebszustand die Innenwelle und die Außenwelle zumindest teilweise lösbar miteinander zu verbinden. Dadurch kann eine Betriebssicherheit auf einfache Weise gewährleistet werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass die zumindest zwei Nockenwelleneinheiten zur Ausbildung einer kombinierten Ein- und Auslassnockenwelle vorgesehen sind. Dadurch kann eine bauraumreduzierte und gewichtsreduzierte Bauweise erreicht werden. Unter einer "kombinierten Ein- und Auslassnockenwelle" soll insbesondere eine Nockenwelle verstanden werden, bei der die Primärnocken und die Sekundärnocken als koaxial angeordnete Einlassnocken und Auslassnocken ausgebildet sind. Die kombinierten Ein- und Auslassnockenwelle ist zur Betätigung von Einlassventilen und Auslassventilen vorgesehen. Zur Ausbildung einer kombinierten Ein- und Auslassnockenwelle ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Nockenwelleneinheiten unterschiedliche Ventilbetätigungsphasen aufweisen. Unter "unterschiedliche Ventilbetätigungsphasen" soll insbesondere eine Betätigung von Ventilen verstanden werden, die um einen definierten Winkel zur Bereitstellung unterschiedlicher Öffnungszeiten zueinander angeordnet sind. Zwei Ventile eines gemeinsamen Zylinders, wie beispielsweise das Ein- und Auslassventil eines Zylinders, sind somit zum Beispiel nie gleichzeitig geöffnet. Die Betätigung der Ventile erfolgt somit immer im gleichen Rhythmus.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Ventiltriebvorrichtung Verbindungselemente aufweist, die dazu vorgesehen sind, durch die Außenwelle hindurch zu greifen und eine feste Verbindung der Innenwelle mit den Sekundärnocken herzustellen. Dadurch kann eine Verschiebung der Innenwelle, und somit der Sekundärnocken gegen die Außenwelle, und somit gegen die Primärnocken besonders einfach realisiert werden.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Außenwelle den Sekundärnocken zugeordnete rechteckförmige Wandöffnungen aufweist, die dazu vorgesehen sind, zumindest einen axialen Verstellweg zur Ventilhubumschaltung bereitzustellen. Dadurch kann auf einfache Weise eine axiale Verschiebung der Innenwelle, und damit der Sekundärnocken ermöglicht werden. Weiter kann dadurch eine Ventilhubumschaltung ermöglicht werden. Die rechteckförmigen Wandöffnungen stellen vorteilhafterweise auch einen in Umfangsrichtung gerichteten Verstellweg zur Phasenverstellung der Nockeinheiten relativ zueinander zur Verfügung.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Ventiltriebvorrichtung mit Ein- und Auslassventilen in einer ersten Schaltstellung,
Fig. 2: eine Außenwelle der Ventiltriebvorrichtung,
Fig. 3: eine Innenwelle der Ventiltriebvorrichtung,
Fig. 4: Kulissenbahnen einer Schaltkulisse,
Fig. 5: die Ventiltriebvorrichtung während eines Schaltvorgangs von der ersten Schaltstellung in eine zweite Schaltstellung,
Fig. 6: die Ventiltriebvorrichtung in der zweiten Schaltstellung und
Fig. 7: eine alternativ ausgestaltete Ventiltriebvorrichtung für eine Mehrventiltechnik.

Fig. 1 zeigt eine als Brennkraftmaschinenventiltriebvorrichtung ausgebildete Ventiltriebvorrichtung zum Steuern von vier in Reihe angeordneten Zylindern. Die Zylinder umfassen jeweils zumindest ein Einlassventil 32a, 33a, 34a, 35a und zumindest ein Auslassventil 36a, 37a, 38a, 39a. Zum Betätigen der Einlassventile 32a, 33a, 34a, 35a und der Auslassventile 36a, 37a, 38a, 39a weist die Ventiltriebvorrichtung eine erste Nockenwelleneinheit und eine zweite Nockenwelleneinheit auf, die miteinander kombiniert sind. Die erste Nockenwelleneinheit umfasst eine Außenwelle 10a und mit dieser Außenwelle 10a verbundene Primärnocken 11a, 12a, 13a, 14a. Die zweite Nockenwelleneinheit weist eine Innenwelle 15a und mit dieser Innenwelle 15a verbundene Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a auf. Dabei ist die Innenwelle 15a in der Außenwelle 10a geführt.
Die zwei Nockenwelleneinheiten bilden eine kombinierte Ein- und Auslassnockenwelle aus, die je Zylinder eine Ventilbetätigungsphase für die Einlassventile 32a, 33a, 34a, 35a und eine Ventilbetätigungsphase für die Auslassventile 36a, 37a, 38a, 39a aufweist. Betätigungen der Einlassventile 32a, 33a, 34a, 35a und der Auslassventile 36a, 37a, 38a, 39a unterscheiden sich im Wesentlichen in ihren Betätigungsphasen, die um ca. 90 Grad zueinander verschoben sind. Zum Steuern der Zylinder sind einem Zylinder jeweils ein Primärnocken 11a, 12a, 13a, 14a und ein Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a zugeordnet. Das Auslassventil 36a, 37a, 38a, 39a eines Zylinders wird von einem Primärnocken 11a, 12a, 13a, 14a und das Einlassventil 32a, 33a, 34a, 35a von einem benachbarten Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a betätigt. Zum Steuern der vier Zylinder weist die Ventiltriebvorrichtung vier Primärnocken 11a, 12a, 13a, 14a und vier Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a auf.
Zum Verstellen der Nockenwelleneinheiten gegeneinander weist die Ventiltriebvorrichtung eine Verstelleinheit 22a auf, die zwei Funktionen umfasst. Eine erste Funktion der Verstelleinheit 22a ist als eine Phasenverstellung der beiden Nockenwelleneinheiten ausgebildet. Die Verstelleinheit 22a ist insbesondere dazu vorgesehen, eine relative Phase der beiden Nockeneinheiten zueinander einzustellen. Zur Einstellung der Phase kann die Verstelleinheit 22a beispielsweise zumindest einen Versteller aufweisen, der wirkungsmäßig zwischen den beiden Nockeneinheiten angeordnet ist. Grundsätzlich ist auch eine Ausgestaltung mit zwei unabhängig voneinander einstellbaren Verstellern denkbar, die wirkungsmäßig jeweils zwischen einer Kurbelwelle und einer der Nockeneinheiten angeordnet sind. Als Versteller können dabei Flügelzellenversteller verwendet werden.
Eine zweite Funktion der Verstelleinheit 22a ist als eine axiale Verschiebung der ersten Nockenwelleneinheit relativ zu der zweiten Nockenwelleneinheit ausgebildet, durch die eine zweistufig sequentielle Ventilhubumschaltung bereitgestellt ist. Mittels der Verstelleinheit 22a kann ein Ventilhub für die Einlassventile 32a, 33a, 34a, 35a umgeschaltet werden.
Die Außenwelle 10a ist als eine Hohlwelle ausgebildet, die drehfest und axial fest mit den Primärnocken 11a, 12a, 13a, 14a verbunden ist (vgl. Fig. 2). Die Primärnocken 11a, 12a, 13a, 14a weisen eine Nockenkurve auf, die für eine Betätigung der Auslassventile 36a, 37a, 38a, 39a vorgesehen ist. Zur Lagerung umfasst die Außenwelle 10a zumindest eine antriebsseitige erste Lagerstelle 40a und eine antriebsabgewandte zweite Lagerstelle 41a. Die erste Lagerstelle 40a ist für ein Festlager vorgesehen. Die zweite Lagerstelle 41a ist für ein Loslager vorgesehen. Weitere Lagerstellen 42a sind zwischen den beiden Lagerstellen 40a, 41a vorgesehen.
Die Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a sind drehbar und axial verschiebbar auf der Außenwelle 10a gelagert. Die in der Außenwelle 10a geführte Innenwelle 15a ist mehrteilig ausgeführt (vgl. Fig. 3). Sie umfasst einen Antriebsflansch 43a, der wirkungsmäßig mit einer nicht näher dargestellten Kurbelwelle gekoppelt ist, und zwei Wellenelemente 20a, 21a, die jeweils mit den Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a gekoppelt sind. Die Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a weisen jeweils zwei Teilnocken auf, die jeweils unterschiedliche Nockenkurven bereitstellen. Durch die axiale Verschiebung der Innenwelle 15a, und damit auch der Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a, wird eine Ventilhubumschaltung vorgenommen. Durch die Ausbildung der Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a als Einlassnocken wird bei einer Ventilhubumschaltung insbesondere ein Ventilhub für Einlassventile 32a, 33a, 34a, 35a der einzelnen Zylinder umgeschaltet.
Die zwei Wellenelemente 20a, 21a der Innenwelle 15a sind axial verschiebbar und drehfest miteinander verbunden. Die Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a sind jeweils paarweise mit einem der Wellenelemente 20a, 21a gekoppelt. Zur festen Verbindung der Innenwelle 15a mit den Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a umfasst die zweite Nockenwelleneinheit Verbindungselemente 23a, 24a, 25a, 26a, die durch die Außenwelle 10a hindurch die Wellenelemente 20a, 21a jeweils drehfest und axial fest mit den zugehörigen Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a verbinden. Die Verbindungselemente 23a, 24a, 25a, 26a sind in diesem Ausführungsbeispiel als Bolzen ausgeführt.
Die Außenwelle 10a weist Wandöffnungen 27a, 28a, 29a, 30a auf, durch die jeweils eines der Verbindungselemente 23a, 24a, 25a, 26a hindurchgeführt ist. Die vier Wandöffnungen 27a, 28a, 29a, 30a sind rechteckförmig ausgebildet. Die Verbindungselemente 23a, 24a, 25a, 26a greifen durch die Wandöffnungen 27a, 28a, 29a, 30a in der Außenwelle 10a. Eine Größe der Wandöffnung 27a, 28a, 29a, 30a korrespondiert in Umfangsrichtung mit der zwischen den Nockenwelleneinheiten einstellbaren Phase. In axialer Richtung korrespondiert die Größe der Wandöffnung 27a, 28a, 29a, 30a mit einem axialen Verstellweg 60a zur Ventilhubumschaltung.
Die Wellenelemente 20a, 21a der Innenwelle 15a werden mittels der Verstelleinheit 22a in einem Schaltvorgang sequentiell nacheinander verschoben. Um die Wellenelemente 20a, 21a, und damit auch die Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a, zu bewegen weist die Verstelleinheit 22a ein erstes und ein zweites Schaltmittel auf, die mittels einer Schaltkulisse 31a die Wellenelemente 20a, 21a verschieben können.
Das erste Schaltmittel weist einen ersten Aktuator und ein erstes Schaltelement auf. Das Schaltelement ist teilweise als ein Schaltpin ausgeformt, der in einer Schaltstellung des ersten Schaltelements ausgefahren ist. In der Schaltstellung greift der Schaltpin in eine erste Kulissenbahn 44a der Schaltkulisse 31a ein (vgl. Fig. 4). Mittels des ersten Schaltmittels und der ersten Kulissenbahn 44a können die Wellenelemente 20a, 21a in eine erste Schaltrichtung verschoben werden.
Das zweite Schaltmittel ist analog ausgeführt. Es weist einen zweiten Aktuator und ein zweites Schaltelement, das ebenfalls teilweise als ein Schaltpin ausgeformt ist, auf. Der Schaltpin greift in der Schaltstellung in eine zweite Kulissenbahn 45a der Schaltkulisse 31a ein. Mittels des zweiten Schaltmittels und der zweiten Kulissenbahn 45a können die Wellenelemente 20a, 21a in eine zweite, der ersten Schaltrichtung entgegengesetzten Schaltrichtung verschoben werden.
Die Kulissenbahnen 44a, 45a, mittels denen die Wellenelemente 20a, 21a verschoben werden, sind als nutförmige Vertiefungen ausgeführt. Zur Ausbildung der Kulissenbahnen 44a, 45a weist die Schaltkulisse 31a zwei Kulissenbahnelemente 46a, 47a auf, die jeweils mit einem der Wellenelemente 20a, 21a fest verbunden sind. Die Kulissenbahnen 44a, 45a sind direkt in die Kulissenbahnelemente 46a, 47a eingebracht. Um die Wellenelemente 20a, 21a sequentiell zu verschieben, sind die Kulissenbahnelemente 46a, 47a in einem Bereich, in dem sie aneinandergrenzen, L- förmig und axial sich überschneidend ausgeführt. In Umfangsrichtung nimmt im Bereich der Kulissenbahnen 44a, 45a jedes Kulissenbahnelement 46a, 47a einen Drehwinkel von 180° Grad ein. Die Kulissenbahnen 44a, 45a, die sich über einen Drehwinkel größer als 360° Grad erstrecken, sind jeweils zum Teil auf dem Wellenelement 20a und zum Teil auf dem Wellenelement 21a angeordnet.
Beide Kulissenbahnen 44a, 45a weisen eine Grundform mit einer zweifach S-förmigen Struktur auf (vgl. Fig.4). Die Kulissenbahnen 44a, 45a umfassen je ein Einspursegment 48a, 49a zum Einspuren der Schaltpins, je zwei Schaltsegmente 50a, 51a, 52a, 53a zum sequentiellen Verschieben der Kulissenbahnelemente 46a, 47a und je ein Ausspursegment 54a, 55a mittels dem die Schaltelemente wieder eingefahren werden. Die Schaltsegmente 50a, 51a, 52a, 53a sind jeweils vollständig auf einem der Kulissenbahnelemente 46a, 47a angeordnet, wobei aufeinander folgende Schaltsegmente 50a, 51a, 52a, 53a wechselweise auf den Kulissenbahnelementen 46a, 47a angeordnet sind. Mittels der Schaltsegmente 50a, 51a, 52a, 53a und einer Drehbewegung der Kulissenbahnelemente 46a, 47a wird die axiale Kraft zum Schalten der Wellenelemente 20a, 21a bereitgestellt. Die Schaltsegmente 50a, 51a, 52a, 53a der beiden Kulissenbahnen 44a, 45a sind dabei für unterschiedliche Schaltrichtungen vorgesehen. Die Kulissenbahnelemente 46a, 47a sind jeweils fest mit den benachbart angeordneten Sekundärnocken 17a, 18a verbunden. Durch die feste Verbindung der Sekundärnocken 17a, 18a mit dem dazugehörigen Wellenelement 20a, 21a führt eine axiale Verschiebung der Kulissenbahnelemente 46a, 47a zu einer axialen Verschiebung des zugehörigen Wellenelements 20a, 21a und damit zu einer axialen Verschiebung der Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a.
Die Wellenelemente 20a, 21a sind über die Schaltkulisse 31a bewegungstechnisch teilweise miteinander gekoppelt. Mittels der Verstelleinheit 22a können die Wellenelemente 20a, 21a sequentiell verschoben werden. Die Wellenelemente 20a, 21a werden dabei in Abhängigkeit von einem Drehwinkel der Ventiltriebvorrichtung verschoben. In der ersten Schaltrichtung wird zunächst das Wellenelement 21a verschoben, und anschließend, wenn das Wellenelement 21a vollständig verschoben ist, wird das Wellenelement 20a verschoben. In der zweiten Schaltrichtung wird zunächst das Wellenelement 20a und anschließend das Wellenelement 21a verschoben. Durch die bewegungstechnische Kopplung führt eine Verschiebung eines Wellenelements 20a, 21a, in Abhängigkeit einer Drehzahl der Innenwelle 15a, zur zeitlich versetzten Verschiebung des anderen Wellenelements 20a, 21a. Eine Verschiebung von nur einem Wellenelement 20a, 21a, ohne eine anschließende Verschiebung des anderen Wellenelements 20a, 21a, ist nicht möglich.
Das Wellenelement 21a und das Wellenelement 20a sind an einer Koppelstelle P' drehfest und axial verschiebbar, beispielsweise mittels einer Verzahnung, miteinander verbunden. Weiter ist an einer Koppelstelle P der Antriebsflansch 43a ebenfalls drehfest und axial verschiebbar, beispielsweise mittels einer Verzahnung, mit dem Wellenelement 20a verbunden. Ein Drehmoment wird über den Antriebsflansch 43a eingeleitet, über die Koppelstelle P an das Wellenelement 20a übertragen und über die Koppelstelle P' an das Wellenelement 21a weitergeleitet.
Die beiden Aktuatoren, die die Schaltelemente bewegen, weisen jeweils eine Elektromagneteinheit zum Ausfahren der Schaltelemente auf. Die Aktuatoren sind als bistabile Systeme ausgeführt, bei denen das Schaltelement bei unbestromter Elektromagneteinheit sowohl in eingefahrenem Zustand als auch in ausgefahrenem Zustand in seiner Stellung verbleibt. Zum Ausfahren der Schaltelemente wird die entsprechende Elektromagneteinheit bestromt. Ein Einfahren der Schaltelemente ist mittels der Kulissenbahnen 44a, 45a realisiert.
Mittels der Schaltsegmente 50a, 51a, 52a, 53a sind zwei verschiedene Schaltstellungen der Wellenelemente 20a, 21a schaltbar. Die Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a weisen jeweils zwei Teilnocken auf, mittels denen die unterschiedlichen Nockenkurven der Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a bereitgestellt sind. Die Teilnocken sind den Schaltstellungen der Wellenelemente 20a, 21a zugeordnet. Die Teilnocken eines Sekundärnockens 16a, 17a, 18a, 19a, die zur wahlweisen Betätigung von genau einem Einlassventil 32a, 33a, 34a, 35a vorgesehen sind, sind jeweils unmittelbar benachbart zueinander angeordnet. Eine Grundkreisphase der Teilnocken eines Sekundärnockens 16a, 17a, 18a, 19a ist jeweils gleich. Die Schaltsegmente 50a, 51a, 52a, 53a verschieben die Wellenelemente 20a, 21a jeweils in der Grundkreisphase der dem entsprechenden Wellenelement 20a, 21a zugeordneten Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a.
Die Nockenkurven eines Sekundärnockens 16a, 17a, 18a, 19a unterscheiden sich im Wesentlichen in einer Hubhöhe. Die kleinen Nockenkurven sind der ersten Schaltstellung zugeordnet und weisen eine kleine Hubhöhe auf. Die Großen Nockenkurven sind der zweiten Schaltstellung zugeordnet und weisen eine große Hubhöhe auf. Die ersten Teilnocken weisen eine kleine Nockenkurve auf und die zweiten Teilnocken eine große Nockenkurve. Die Einlassventile 32a, 33a, 34a, 35a welche mit einem Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a mit zwei Teilnocken unterschiedlicher Nockenkurven betätigt werden, werden in einer ersten Schaltstellung der Wellenelemente 20a, 21a mit dem Teilnocken des Sekundärnockens 16a, 17a, 18a, 19a betätigt, der gegenüber dem benachbarten Teilnocken eine kleinere Hubhöhe aufweist. In einer zweiten Schaltstellung der Wellenelemente 20a, 21a werden die dazugehörigen Einlassventile 32a, 33a, 34a, 35a, welche mit einem Sekundärnocken 16a, 17a, 18a, 19a mit zwei Teilnocken unterschiedlicher Nockenkurven betätigt werden, mit dem Teilnocken des Sekundärnockens 16a, 17a, 18a, 19a betätigt, der gegenüber dem benachbarten Teilnocken eine größere Hubhöhe aufweist.
In der ersten Schaltstellung ist das Wellenelement 20a axial bis an den Anschlag an dem Antriebsflansch 43a verschoben. Das Wellenelement 21a ist in der ersten Schaltstellung axial bis an den Anschlag an das Wellenelement 20a verschoben (vgl. Fig. 1). In der zweiten Schaltstellung ist das Wellenelement 21a axial bis an einen Anschlag der Außenwelle 10a verschoben. Das Wellenelement 20a ist in der zweiten Schaltstellung axial bis an den Anschlag an das Wellenelement 21a verschoben (vgl. Fig. 6). In der ersten Schaltstellung sind den Einlassventilen 32a, 33a, 34a, 35a die Teilnocken mit dem kleinen Hub und in der zweiten Schaltstellung die Teilnocken mit dem großen Hub zugeordnet.
Um die Wellenelemente 20a, 21a in ihren Schaltstellungen zu fixieren, umfasst die Ventiltriebvorrichtung eine Formschlusseinheit, die jeweils zwei, jeweils einem der Wellenelemente 20a, 21a zugeordnete Druckstücke aufweist. In den Schaltstellungen verbinden die Druckstücke der Formschlusseinheit die Wellenelemente 20a, 21a der Innenwelle 15a lösbar mit der Außenwelle 10a. Die Außenwelle 10a weist an ihrer Innenseite Ausnehmungen auf, die den Schaltstellungen zugeordnet sind und in die die fest mit der Innenwelle 15a verbundenen Druckstücke in den Schaltstellungen eingreifen. Die Formschlusseinheit ist mittels der Druckstücke als eine Kugelverrastung ausgebildet.
In einem Betriebszustand, in dem die Wellenelemente 20a, 21a in der ersten Schaltstellung geschaltet sind, werden die Einlassventile 32a, 33a, 34a, 35a mittels der ersten Teilnocken betätigt. Zur Schaltung der Wellenelemente 20a, 21a in die zweite Schaltstellung, in der die Einlassventile 32a, 33a, 34a, 35a mittels der zweiten Teilnocken betätigt werden, wird das erste Schaltmittel in seine Schaltstellung geschaltet, wodurch der erste Schaltpin in das Einspursegment 48a eingreift. Die Form des Schaltsegments 50a stellt mittels der Drehbewegung der Innenwelle 15a eine axiale Kraft bereit, die das Wellenelement 21a und die mit dem Wellenelement 21a verbundenen Sekundärnocken 18a, 19a in Richtung der zweiten Lagerstelle 41a verschiebt. Das Wellenelement 21 ist somit in die zweite Schaltstellung geschaltet während die Betätigung der Einlassventile 32a, 33a, die von den übrigen, mit dem Wellenelement 20a gekoppelten Sekundärnocken 16a, 17a betätigt werden, unverändert bleibt (vgl. Fig.5). In diesem Betriebszustand ist der Schaltvorgang der Wellenelemente 20a, 21a zu Hälfte abgeschlossen. Durch eine weitere Drehbewegung der Innenwelle 15a wird anschließend das Wellenelement 20a mittels des ersten Schaltpins und des Schaltsegments 51a in seine zweite Schaltstellung geschaltet, wodurch auch für die mit dem Wellenelement 20a gekoppelten Sekundärnocken 16a, 17a die zweiten Teilnocken geschaltet sind (vgl. Fig. 6). Der Schaltvorgang wird durch das Erreichen des Ausspursegments 54a und das Einfahren des ersten Schaltpins abgeschlossen. Die Ventilhubumschaltung erfolgt somit als eine zweistufig sequentielle Ventilhubumschaltung.
Ein Schaltvorgang von der zweiten Schaltstellung zurück in die erste Schaltstellung erfolgt analog, wobei der zweite Schalpin in die zweite Kulissenbahn 45a eingreift und die Wellenelemente 20a, 21a, angefangen mit dem Wellenelement 20a, nacheinander in die erste Schaltstellung verschoben werden. Bei dem Schaltvorgang in die erste Schaltstellung erfolgt ebenfalls eine zweistufig sequentielle Ventilhubumschaltung.
In Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 bis 6 durch den Buchstaben b in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in der Figur 7 ersetzt. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen. Bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen kann auf die Beschreibung und/oder die Zeichnungen des Ausführungsbeispiels in den Figuren 1 bis 6 verwiesen werden.
Fig. 7 zeigt eine analoge Ausführungsform einer als Brennkraftmaschinenventiltriebvorrichtung ausgebildeten Ventiltriebvorrichtung zum Steuern von vier in Reihe angeordneten Zylindern. Im Unterschied zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel sind jedem Zylinder zwei Einlassventile und zwei Auslassventile zugeordnet. Zum Betätigen der Einlassventile und der Auslassventile weist die Ventiltriebvorrichtung eine erste Nockenwelleneinheit und eine zweite Nockenwelleneinheit auf, die miteinander kombiniert sind. Die erste Nockenwelleneinheit umfasst eine Außenwelle 10b und mit dieser Außenwelle 10b verbundene Primärnocken 11b, 11b', 12b, 12b', 13b, 13b', 14b, 14b'. Die zweite Nockenwelleneinheit weist eine Innenwelle 15b und mit dieser Innenwelle 15b verbundene Sekundärnocken 16b, 16b', 17b, 17b', 18b, 18b', 19b, 19b' auf. Die Primärnocken 11b, 11b', 12b, 12b', 13b, 13b', 14b, 14b' sind mittels zweier Teilnocken gleicher Nockenkurven und die Sekundärnocken 16b, 16b', 17b, 17b', 18b, 18b', 19b, 19b' mittels zweier Teilnocken unterschiedlicher Nockenkurven ausgebildet.
Die zwei Nockenwelleneinheiten bilden eine kombinierte Ein- und Auslassnockenwelle aus, die je Zylinder eine Ventilbetätigungsphase für die Einlassventile und eine Ventilbetätigungsphase für die Auslassventile aufweist. Die Außenwelle 15b ist als eine Hohlwelle ausgebildet, in der eine mehrteilig ausgebildete Innenwelle 15b geführt ist, wobei die Innenwelle 15b aus einem Antriebsflansch 43b und zwei Wellenelementen 20b, 21b aufgebaut ist. Dabei sind der Antriebsflansch 43b und die beiden Wellenelemente 20b, 21b drehfest und axial verschiebbar miteinander verbunden.
Zum Verdrehen und Verschieben der Nockenwelleneinheiten gegeneinander weist die Ventiltriebvorrichtung eine Verstelleinheit 22b auf. Zur axialen Verschiebung der Wellenelemente 20b, 21b weist die Verstelleinheit 22b eine Schaltkulisse 31b auf, die die beiden Wellenelemente 20b, 21b sequentiell in zwei Stufen axial verschiebt.
Die Primärnocken 11b, 11b', 12b, 12b', 13b, 13b', 14b, 14b' zur Betätigung der Auslassventile gleicher Zylinder sind jeweils unmittelbar benachbart angeordnet und trennen somit die dazugehörigen Sekundärnocken 16b, 16b', 17b, 17b', 18b, 18b', 19b, 19b'. Die Sekundärnocken 16b', 17b, die Sekundärnocken 17b', 18b und die Sekundärnocken 18b', 19b sind ebenfalls unmittelbar benachbart angeordnet, wobei die Sekundärnocken 16b', 17b, 17b', 18b, 18b', 19b für die Betätigung von Einlassventilen unterschiedlicher Zylinder zuständig sind. Die unmittelbar benachbarten Sekundärnocken 16b', 17b und die Sekundärnocken 18b', 19b sind fest miteinander verbunden. Und die unmittelbar benachbarten Sekundärnocken 17b', 18b sind mittels der Schaltkulisse 31b verbunden. Zur festen Verbindung der Innenwelle 15b mit den Sekundärnocken 16b, 16b', 17b, 17b', 18b, 18b', 19b, 19b' umfasst die zweite Nockenwelleneinheit Verbindungselemente 23b, 24b, 25b, 26b, 56b, 57b die durch die Außenwelle 10b hindurch die Wellenelemente 20b, 21b jeweils drehfest und axial fest mit den zugehörigen Sekundärnocken 16b, 16b', 17b, 17b', 18b, 18b', 19b, 19b' verbinden. Das Verbindungselement 56b ist für die feste Verbindung der unmittelbar benachbarten Sekundärnocken 16b', 17b und das Verbindungselement 57b für die feste Verbindung der unmittelbar benachbarten Sekundärnocken 18b', 19b mit dem Wellenelement 20b, 21b vorgesehen. Durch eine solche Anordnung der Primärnocken 11b, 11b', 12b, 12b', 13b, 13b', 14b, 14b' und Sekundärnocken 16b, 16b', 17b, 17b', 18b, 18b', 19b, 19b' weißt die Außenwelle 10b im Unterschied zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel jeweils drei Wandöffnungen 27b, 28b, 29b, 30b, 58b, 59b auf. Durch die Wandöffnungen 27b, 28b, 29b, 30b, 58b, 59b sind die auf der Außenwelle 10b drehbar und verschiebbar gelagerten Sekundärnocken 16b, 16b', 17b, 17b', 18b, 18b', 19b, 19b' mittels den Verbindungselement fest mit der Innenwelle 15b verbunden, wobei die Sekundärnocken 16b', 17b und die Sekundärnocken 18b', 19b miteinander gekoppelt sind.

Claims

Ventiltriebvorrichtung, insbesondere eine Brennkraftmaschinenventiltriebvorrichtung, mit einer ersten Nockenwelleneinheit, die eine Außenwelle (10a; 10b) und mit der Außenwelle (10a; 10b) verbundene Primärnocken (11a, 12a, 13a, 14a; 11b, 12b, 13b, 14b, 11b', 12b', 13b', 14b') aufweist, mit einer zweiten Nockenwelleneinheit, die eine in der Außenwelle (10a; 10b) geführte Innenwelle (15a; 15b) und mit der Innenwelle (15a; 15b) verbundene Sekundärnocken (16a, 17a, 18a, 19a; 16b, 17b, 18b, 19b, 16b', 17b', 18b', 19b') aufweist, und mit einer Verstelleinheit (22a; 22b), die dazu vorgesehen ist, die beiden Nockenwelleneinheiten gegeneinander zu verstellen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verstelleinheit (22a; 22b) eine zumindest zweistufig sequentielle Ventilhubumschaltung ausführen kann, wobei die zweite der Nockenwelleneinheiten zumindest zwei Wellenelemente (20a, 21a; 20b, 21b) aufweist, die dazu vorgesehen sind, in zumindest einem Schaltvorgang sequentiell nacheinander verschoben zu werden.
Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wellenelemente (20a, 21a; 20b, 21b) dazu vorgesehen sind, zumindest einen Teil der Innenwelle (15a; 15b) auszubilden.
Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest zwei Wellenelemente (20a, 21a; 20b, 21b) drehfest und axial verschiebbar miteinander verbunden sind.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest einer der Sekundärnocken (16a, 17a, 18a, 19a; 16b, 17b, 18b, 19b, 16b', 17b', 18b', 19b') zumindest zwei Teilnocken aufweist, die zur Bereitstellung unterschiedlicher Ventilhübe vorgesehen sind.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verstelleinheit (22a; 22b) zumindest eine Schaltkulisse (31a; 31b) umfasst, die dazu vorgesehen ist, in zumindest einem Betriebszustand zumindest einen Teil der Sekundärnocken (16a, 17a, 18a, 19a; 16b, 17b, 18b, 19b, 16b', 17b', 18b', 19b') axial zu verschieben.
Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schaltkulisse (31a; 31b) dazu vorgesehen ist, die zumindest zwei Wellenelemente (20a, 21a; 20b, 21b) zur sequentiellen Verschiebung zumindest teilweise bewegungstechnisch miteinander zu koppeln.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Formschlusseinheit, die dazu vorgesehen ist, zumindest in einem Betriebszustand die Innenwelle (15a; 15b) und die Außenwelle (10a; 10b) zumindest teilweise lösbar miteinander zu verbinden.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest zwei Nockenwelleneinheiten zur Ausbildung einer kombinierten Ein- und Auslassnockenwelle vorgesehen sind.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Nockenwelleneinheiten unterschiedliche Ventilbetätigungsphasen aufweisen.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch,
Verbindungselemente (23a, 24a, 25a, 26a; 23b, 24b, 25b, 26b, 56b, 57b), die dazu vorgesehen sind, durch die Außenwelle (10a; 10b) hindurch zu greifen und eine feste Verbindung der Innenwelle (15a; 15b) mit den Sekundärnocken (16a, 17a, 18a, 19a; 16b, 17b, 18b, 19b, 16b', 17b', 18b', 19b') herzustellen.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Außenwelle (10a; 10b) den Sekundärnocken (16a, 17a, 18a, 19a; 16b, 17b, 18b, 19b, 16b', 17b', 18b', 19b') zugeordnete rechteckförmige Wandöffnungen (27a, 28a, 29a, 30a; 27b, 28b, 29b, 30b, 58b, 59b) aufweist, die dazu vorgesehen sind, zumindest einen axialen Verstellweg (60a; 60b) zur Ventilhubumschaltung bereitzustellen.
Verfahren für eine Ventiltriebvorrichtung, insbesondere eine Brennkraftmaschinenventiltriebvorrichtung, mit einer ersten Nockenwelleneinheit, die eine Außenwelle (10a; 10b) und mit der Außenwelle (10a; 10b) verbundene Primärnocken (11a, 12a, 13a, 14a; 11b, 12b, 13b, 14b, 11b', 12b', 13b', 14b') aufweist, mit einer zweiten Nockenwelleneinheit, die eine in der Außenwelle (10a; 10b) geführte Innenwelle (15a; 15b) und mit der Innenwelle verbundene Sekundärnocken (16a, 17a, 18a, 19a; 16b, 17b, 18b, 19b, 16b', 17b', 18b', 19b') aufweist, und mit einer Verstelleinheit (22a; 22b), die die beiden Nockenwelleneinheiten gegeneinander verstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verstelleinheit (22a; 22b) eine zumindest zweistufig sequentielle Ventilhubumschaltung ausführen kann, bei der zumindest zwei Wellenelemente (20a, 21a; 20b, 21b) von der zweiten Nockenwelleneinheiten in zumindest einem Schaltvorgang sequentiell nacheinander verschoben werden.