EP2860362A1

EP2860362A1 - Desmodromische Ventilsteuerung

Info

Publication number: EP2860362A1
Application number: EP20130188247
Authority: EP
Inventors: Harald KÖNIG
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2033-10-11
Also published as: EP2860362B1; JP2015075114A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine desmodromische Ventilsteuerung, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen. Zum Verhindern des Spießens bzw zum Ausgleich von Toleranzen samt dadurch bedingtem Abheben der Nocken wird vorgeschlagen, dass pro Ventil zwei Nockenwellen (1, 10) vorgesehen sind, deren Nocken (2, 11) auf zumindest eine Rolle (8) eines Rollenschlittens (16) wirken, dass die Achsen der Nockenwellen und der Rolle(n) parallel zueinander verlaufen, und dass die Achse der Rolle (8) durch ein Federelement (13, 14) zur Verbindungsebene der Achsen der Nockenwellen (1, 10) gedrängt wird

Description

Die Erfindung betrifft eine desmodromische Ventilsteuerung, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Unter desmodromischen Ventilsteuerungen werden Ventilsteuerungen verstanden, bei denen die Bewegung des Ventils, eigentlich des Ventiltellers, nicht gegen die Kraft einer Schließfeder erfolgt, sondern sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen zwangsgesteuert ist. Allgemein gesprochen, wird die kraftschlüssig bewirkte Bewegung durch eine formschlüssig bewirkte Bewegung ersetzt.
Derartige Ventilsteuerungen werden seit langem vorgeschlagen, denn insbesondere für schnell drehende Verbrennungsmotoren besteht das Problem, dass die Ventilfedern nicht stark genug sind, um den Mitnehmer am Ventilschaft im Kontakt mit der Nocke zu halten, und es damit zum Flattern und Schlagen kommt, wodurch die Abnutzung so extrem wird, dass es in Kürze zum Versagen des Ventiltriebs kommt.
Wenn auch bei desmodromischen Ventiltrieben die eigentliche Ventilbewegung formgesteuert erfolgt, ist es doch notwendig, zum Ausgleich von Toleranzen, von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen und auch zum Ausgleich von Abnutzungen, einen elastischen Ausgleich für die dadurch bedingten Abweichungen vom theoretischen Ideal vorzusehen.
Von der Vielzahl der bekannten Vorschläge seien nur einige als Beispiele herausgenommen:

Die US 1,238,175 aus 1917 schlägt für ein stehendes Ventil eine Kulissensteuerung vor, wobei die Ventilstange nicht nur geteilt und über ein, die beiden Teile fluchtend verbindendes, Gewinde eingestellt werden kann, sondern auch durch eine federbelastete Vorspannung verhindert wird, dass beim Erreichen des Schließzustandes noch eine weitere, durch die Kulisse bedingte, und somit formschlüssig induzierte, Kraft auf die Ventilstange bzw. das Ventil wirkt.

Spätere Steuerungen gehen von der Kulissensteuerung ab und verwenden zwei nockenbetätigte Klauen eines Drehteils, die auf die Ventilstange passend wirken. Die eine Klaue wird von der Nocke direkt betätigt, die andere mittels einer Torsionsfeder gegen die Erste gedrückt, ein Beispiel dafür liefert die DE 4 215 056 . Da diese Anordnung für hängende Ventile gedacht ist, kann es beim Schließen des Ventils dazu kommen, dass die obere Klaue von der Nocke abhebt, was zu erhöhtem Verschleiß führt.
Aus der EP 110 101 ist ein extrem komplexer Steuermechanismus bekannt, dessen Ziel es ist, die Ventilsteuerung selbst variabel zu gestalten, weshalb verschiedene zusätzliche Steuerelemente vorhanden sind, die quasi den gesamten ursprünglichen Steuermechanismus entsprechend kippen können.
Aus der US 3,610,218 ist es bekannt, einen Ventilantrieb vorzusehen, bei dem die Ventilstange von einem Schwenkhebel betätigt wird, der seinerseits mittels zweier Nocken, deren Nockenwellenachsen in Richtung der Ventilbewegung angeordnet sind, verschwenkt wird, wobei die beiden Nocken auf eine Rolle des Schwenkhebels wirken. Zufolge der unterschiedlichen Durchmesser und Krümmungen der Nocken kommt es dabei nicht nur zu einer rollenden, sondern stets auch zu einer gleitenden Bewegung, doch wird die Abnutzung stark herabgesetzt.
Trotz dieser Reduktion der gleitenden Reibung führen schon geringste Abweichungen vom theoretischen Ideal entweder zum abwechselnden Abheben - Aufschlagen der Nocken, oder zum Steckenbleiben der Rolle am Schwenkarm, oder auch, abhängig von der Betriebstemperatur etc., abwechselnd zu beiden Problemen. Dazu kommt noch, dass ein funktioneller Ausgleich der auftretenden Kräfte bei geschlossenem Ventil nicht vorgesehen und auch nicht möglich ist.
Aus der WO 02/081871 ist ein Ventiltrieb bekannt, der für hängende Ventile gedacht ist und interessanterweise kinetisch praktisch genau der an erster Stelle genannten Druckschrift für stehende Ventile entspricht.
Zu guter Letzt soll noch auf die DE 363 020 hingewiesen werden, bei der die auf - ab Bewegung durch eine Drehbewegung eines Kolbens erfolgt, der an seinem Umfang eine schlangenförmige Nut aufweist, in die die Steuernocken eines Mitnehmers des Ventilstößels eingreifen. Zum Ausgleich von Toleranzen etc. ist der eigentliche Ventilstößel gegenüber dem Mitnehmer über eine Feder vorgespannt, sodass ein hartes Aufsitzen am Ventilsitz vermieden wird.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine desmodromische Ventilsteuerung anzugeben, bei der die Probleme mit dem Abheben bzw. Klemmen der Steuerorgane nicht auftreten, bei der beim Erreichen des geschlossenen Zustand des Ventils die formschlüssige Führung passend abgefedert wird, und bei der, darüber hinaus, die bei den desmodromischen Führungen völlig vernachlässigten rotatorischen Bewegungen des Ventiltellers zur gleichmäßigen Abnutzung und damit zum Dichthalten des Sitzes ermöglicht werden.
Diese Ziele werden durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale erreicht; mit anderen Worten, dadurch dass pro Ventil zwei Nockenwellen vorgesehen sind, deren Nocken auf zumindest eine Rolle eines Rollenschlittens wirken; die Achsen der Nockenwellen und der Rolle(n) verlaufen dabei parallel zueinander, und die Achse der Rolle(n) wird durch ein Federelement zur Verbindungsebene der Achsen der Nockenwellen gedrängt. Dadurch wird ein sicheres Anliegen der Nocken an der Rolle erreicht, ohne dass es zu Zwängen kommen kann.
Im Folgenden wird die Erfindung Anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen

die Fig.1 einen schematischen Schnitt durch die Ventilachse und normal auf die Achsen der Nockenwellen, im geschlossenen Zustand des Ventils,
die Fig. 2 einen Schnitt analog zu dem der Fig.1 im geöffnetem Zustand des Ventils, die Fig. 3 einen Horizontalschnitt entlang der Linie III-III der Fig. 1 und
die Figs. 4 und 5 Ansichten einer Variante entsprechend den Fig. 1 und 2.

In der Zeichnungsbeschreibung wird verschiedentlich auf die Lage bzw. Richtung mit "links - rechts", oder "oben - unten", "horizontal", "vertikal", und ähnlich Bezug genommen, dies bezieht sich nur auf die Darstellung und schränkt den Aufbau und/oder Einbau einer derartigen Steuerung nicht ein.
Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die Achse des Ventilstößels 7 und normal zu den Achsen der beiden Nockenwellen 1, 10. Die Vorrichtung weist folgenden Aufbau auf: Ein Rollenschlitten 16 ist im Bereich eines seiner Enden in einer Führung 12 linear beweglich gelagert, wobei die Bewegungsrichtung parallel zur Achse des Ventilstößels 7 verläuft. Der Rollenschlitten 16 trägt eine Rolle 8, deren Achse parallel zu den Achsen der beiden Nockenwellen 1, 10 verläuft. An dem Ende des Rollenschlittens 16, der der Führung 12 abgewandt ist, weist er die Form einer doppelten Klaue auf, das heißt, dass eine Nut in vertikaler Richtung die Aufnahme des Ventilstößels 7 erlaubt, und eine Nut in horizontaler Richtung die Aufnahme des Federtellers 5, der fix mit dem Ventilstößel 7 verbunden ist.
In der horizontalen Nut sind am Rollenschlitten 16 Führungsfedern 3, 4, 6 vorgesehen, die beispielsweise die Form von Blattfedern haben können. Der Federteller 5 des Ventilstößels 7 kommt nur mit diesen Federelementen 3, 4, 6 in Berührung, diese sind entsprechend vorgespannt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Führung des Rollenschlittens 16 durch eine stabförmige Kufe 15 in der Führung 12. Die Führung 12 ist bezüglich des ortsfesten Systems (Motorblock, bzw. Zylinder 9) durch Federelemente 13, 14 so vorgespannt, dass die Rolle 8 nach links, zwischen die Nocken 2, 11 der Nockenwellen 1, 10 gezogen wird, sodass sie stets an beiden Nocken anliegt.
Im Betrieb bewegt sich die Rolle 8 zwischen den Nocken 2, 11, wobei, wie schon eingangs erwähnt, zufolge der unterschiedlichen momentan wirksamen Radien der Nocken, rollende Reibung und gleitende Reibung auftritt. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist ein Abheben bzw. Klemmen selbst bei größeren Abweichungen von der theoretischen Ideallage bzw. Idealabmessung zuverlässig vermieden, da der Rollenschlitten 16 neben der merklichen dem Ventilhub entsprechenden vertikalen Bewegung auch eine geringe, aber für den Toleranzausgleich ausreichende Bewegung in horizontaler Richtung ausführen kann und nur durch die Federelemente 13, 14 gegen die Nocken gedrückt wird.
Diese horizontale Beweglichkeit, normal zur Achse des Ventilstößels 7, hat auf diesen keinen negativen Einfluss, weil der Ventilstößel 7 vermittels seines Federtellers 5 nur mit den Federn 3, 4, 6 des Rollenschlittens 16 in Berührung kommt und dabei ausreichend Spiel in horizontaler Richtung um den Federteller und auch um den Stößel selbst besteht.
Die eigentliche und genaue Führung des Ventilstößels 7 entlang der Ventilachse 18 erfolgt durch eine, mit keinem Bezugszeichen versehene, Ventilführung. Zufolge der Verbindung zwischen Ventilstößel und Rollenschlitten über die Federn 3, 4, 6 wird der Ventilstößel und damit auch der Ventilteller in eine stöchastische Drehbewegung um die Achse des Ventilstößels 7 versetzt, was zu einer gleichmäßigen Abnutzung bzw. zu einem dichten Einschleifen des Ventilsitzes führt.
Die Fig. 3 zeigt, dass der Rollenschlitten 16 beim dargestellten Ausführungsbeispiel in Grenzen auch um die Achse der Führung 12 schwenken kann, was zum Ausgleich von Toleranzen und betriebsbedingten Dimensionsänderungen beiträgt.
Die Figs. 4 und 5 zeigen in Darstellungen entsprechend denen der Figs. 1 und 2 eine Variante mit verschwenkbarem Rollenschlitten 16. Die Führung 12 besteht aus einer Drehachse, um die der Rollenschlitten 16 verdreht werden kann. Die Nockenwellen, das Federelement 14, durch das die Rolle 8 gegen die Nocken 2, 11 gedrückt wird, und der Mechanismus insgesamt arbeitet völlig analog zu dem der Figs. 1 bis 3. Die Übertragung der Bewegung ist im dargestellten Ausführungsbeispiel allerdings etwas anders gelöst: Eine um ihre Achse verschwenkbare Ventilwelle 19 drückt mit einer Abflachung gegen die Stirnfläche des Ventilstößels 7, ein Federelement 6 bewirkt den Ausgleich aller Abnützungen, Ausdehnungen und Toleranzen. Möglich ist es, dass die Ventilwelle ein kugeliges Auflager aufweist und der Ventilstößel eine kalottenförmige, konkave Stirnfläche, was die Drehung des Ventilstößels um die Längsachse erleichtert, aber auch eine Führung mit sich bringt.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt werden. So ist es möglich, den bei der Ausbildung des Rollenschlittens 16 als Schwenkhebel die Ausbildung der Klaue beizubehalten, und ihre Form der zum Federteller 5 hin gerichteten Flächen im Rollenschlitten 16 an die kippende Bewegung anzupassen. Auch in diesem Fall ist es wesentlich, dass durch federnde Anordnung, entweder des Lagers des Kipphebels oder des Kipphebels zum Lager, eine Kraftkomponente geschaffen wird, die darauf abzielt, die drei Achsen der Nockenwellen und der Rolle zum Fluchten zu bringen, sodass ein sicheres, dauerhaftes Anliegen der Rolle 8 an beiden Nocken 2, 11 gewährleistet ist.
Es ist selbstverständlich möglich, die Nocken bzw. deren Achsen näher zum Ventilschaft 7 zu legen, es ist sodann der Rollenschlitten 16 mit einer Feder so zu beaufschlagen, dass die Rolle vom Lager 12 weg, aber ebenfalls wieder zur Verbindungsgerade der beiden Nockenwellen gedrängt wird.
Eine spezielle Weiterbildungsmöglichkeit besteht darin, statt einer Rolle 10 zwei, auf gleicher Achse und mit gleichem Durchmesser anzuordnen, jeweils eine für jede Nocke. Damit kann die Gleitreibung zwischen Nocke und Rolle vollständig vermieden werden. Wenn ein Momentenausgleich gewünscht wird, so wären drei Rollen symmetrisch zur Papierebene vorzusehen, die beiden äußeren für eine der (dann ebenfalls verdoppelte) Nocken, die innere für die andere Nocke.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird eine Ventilsteuerung erreicht, die mit extrem weinigen Bauteilen auskommt und noch dazu Bauteile verwendet, die in der benötigten Standhaftigkeit, Dimensionierung und mechanischen Auslegung im Stand der Technik existieren und daher kostengünstig und in vielfacher Varianz erhältlich sind.

Bezugszeichenverzeichnis:

1	Nockenwelle	7	Ventilstößel, Ventilschaft
2	Nocke	8	Rolle
3	Führungsfeder	9	Zylinder
4	Führungsfeder	10	Nockenwelle
5	Federteller	11	Nocke
6	Führungsfeder	12	Führung, Lager
13	Federelement	17	Betätigung
14	Federelement	18	Ventilachse
15	stabförmige Kufe
16	Rollenschlitten

Claims

Desmodromische Ventilsteuerung, insbesondere für Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass pro Ventil zwei Nockenwellen (1, 10) vorgesehen sind, deren Nocken (2, 11) auf zumindest eine Rolle (8) eines Rollenschlittens (16) wirken, dass die Achsen der Nockenwellen und der Rolle(n) parallel zueinander verlaufen, und dass die Achse der Rolle (8) durch ein Federelement (13, 14) zur Verbindungsebene der Achsen der Nockenwellen (1, 10) gedrängt wird.
Desmodromische Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollenschlitten (16) in einer linearen Führung (12) parallel zur Ventilbewegung, der Ventilachse, geführt wird, und dass zumindest das Federelement (13, 14) in der Führung vorgesehen ist.
Desmodromische Ventilsteuerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rollenschlitten (16) und einem Federteller (5) des Ventilschaftes zumindest eine Feder (3, 4, 6) vorgesehen ist.
Desmodromische Ventilsteuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft ausschließlich über die Federn (3, 4, 6) mit dem Rollenschlitten (16) in Wirkverbindung steht.