EP3292280B1 - Ventiltriebvorrichtung - Google Patents

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EP3292280B1
EP3292280B1 EP16701058.6A EP16701058A EP3292280B1 EP 3292280 B1 EP3292280 B1 EP 3292280B1 EP 16701058 A EP16701058 A EP 16701058A EP 3292280 B1 EP3292280 B1 EP 3292280B1
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EP
European Patent Office
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cam
cam piece
slide
piece
axially
Prior art date
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EP16701058.6A
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English (en)
French (fr)
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EP3292280A1 (de
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Robert Hermann
Murat Saral
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Publication of EP3292280A1 publication Critical patent/EP3292280A1/de
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    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/02—Valve drive
    • F01L1/04—Valve drive by means of cams, camshafts, cam discs, eccentrics or the like
    • F01L1/047—Camshafts
    • F01L1/053—Camshafts overhead type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L13/0036—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction
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    • F01L1/047—Camshafts
    • F01L2001/0471—Assembled camshafts
    • F01L2001/0473—Composite camshafts, e.g. with cams or cam sleeve being able to move relative to the inner camshaft or a cam adjusting rod
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/0015—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque
    • F01L13/0036—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction
    • F01L2013/0052—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque the valves being driven by two or more cams with different shape, size or timing or a single cam profiled in axial and radial direction with cams provided on an axially slidable sleeve

Definitions

  • the invention relates to a valve drive device, in particular a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.
  • the valve drive device comprises a camshaft with an axially displaceable cam piece arranged on a cam base shaft with at least two cams which provide phase-shifted cam strokes when the camshaft rotates and are assigned to different cylinders , and a shift gate for axial displacement of the cam piece.
  • the cam piece is designed in the form of a double cam piece and is designed in one piece with the cams and the shift gate.
  • the shift gate has a first gate track for axially moving the cam piece in a forward direction and a second gate track for axially moving the cam piece in a reverse direction opposite to the forward direction.
  • Variable valve drive devices are known in internal combustion engines, which by axially moving cam pieces with cams of different cam contours (e.g. full cams, half cams and / or zero cams) can switch off individual cylinders and switch valve lifts (so-called "sliding cam systems").
  • Variable valve train devices with axially displaceable cam pieces do not have a classic one-piece camshaft, but rather a toothed shaft as the cam base shaft on which two or more cam pieces are displaceably arranged. The torque transmission from the camshaft to the cam pieces takes place via the toothing of the toothed shaft.
  • the cam pieces are shifted in the axial direction with the aid of a stationary actuator, which causes an actuation element such as an adjustment pin to engage in a shift gate of the cam piece.
  • an actuation element such as an adjustment pin to engage in a shift gate of the cam piece.
  • two ejectable actuating elements are provided in each cam piece for engaging in each assigned a slide track of the shift gate, the first slide track for adjusting the cam piece in an axial forward direction and the second slide track for adjusting the cam piece in an axial backward direction (connection and disconnection with ACT).
  • Y-shaped slide tracks with two side-by-side single-track areas running in the circumferential direction are known, which merge at a Y-junction into a common track section with an ejection area.
  • the pamphlets DE 10 2007 056 692 A1 , DE 10 2007 037 358 A1 and DE 10 2011 011 457 A1 each describe two or three cam pieces which are arranged axially displaceably relative to one another on the cam base shaft and in which the cams assigned to different cylinders are axially displaceable relative to one another.
  • the individual cam pieces can be pushed either towards or away from one another by means of two slide tracks.
  • the valve drive devices described in these publications are particularly complex and therefore potentially prone to errors.
  • valve drive of an internal combustion engine having a camshaft with slidable cam carriers arranged thereon.
  • a cam carrier is assigned to one cylinder in each case.
  • the cam carrier is moved using actuating elements that are in separate Worm drives intervene.
  • the worm drives each have a curved path which is divided into segments having different functions.
  • the object of the present invention is to provide a valve drive device with a double cam piece with an improved shift gate, which has the longest possible durability, reduces the load on the adjustment pins and acoustic abnormalities eliminated.
  • the valve drive device comprises a camshaft with a cam piece which is arranged axially displaceably on a cam base shaft and has at least two cams which provide phase-shifted cam strokes when the camshaft rotates and are assigned to different cylinders. It is thus possible according to the invention to switch over the valve lifts of two or more cylinders with a (one-piece) cam piece essentially at the same time ("double cam piece").
  • cam piece in the case of a cam piece, the individual cams of the cam piece are not axially movable relative to one another, but are held axially rigid relative to one another on the cam piece. If two cams are held on the cam base shaft so that they can move axially relative to one another, there are several cam pieces.
  • valve lift switching can only take place in the base circle of the cams.
  • a smaller common cam base circle is available for switching than when switching the valve lift of two cylinders using two individual cam pieces.
  • the valve lifts and thus also the cam lifts are regularly rotated by 90 ° cam rotation angles relative to one another and thus out of phase. These 90 ° cam rotation angles correspond to the reduction in the base circle that is available for shifting. For this reason, the guide track for switching several cylinders with a single cam piece is difficult.
  • the adjustment pins of the actuator are more heavily loaded when switching a double cam piece than with a single cam piece that is only assigned to a single cylinder due to the higher cam piece mass to be moved and the smaller base circle area.
  • the shorter cam base circle also leads to a higher final axial speed of the double cam piece, which causes an increasing acoustic conspicuousness with increasing speeds.
  • the first slide track and the second slide track are axially spaced from one another in such a way that they do not have a common track section.
  • the two slide tracks do not have a track section through which an adjustment pin of the actuator traverses both when the cam piece is moved in the forward direction and when the cam piece is moved in the backward direction.
  • the two slide tracks are completely independent of one another and axially spaced from one another, so that one slide track is used to move the cam piece in the forward direction and the second slide track is used to move the cam piece in the backward direction.
  • the invention is based on the knowledge that, in the case of slide tracks with a common track section, the adjusting pin running through them is potentially heavily stressed at the crossing, branching or junction points that are present.
  • the adjustment pin can hit an opposing wall section of the combined link path at the merging point without its axial movement component being able to be sufficiently braked beforehand, which can lead to the acoustic abnormalities described above.
  • two mutually independent and axially spaced slide tracks offer the advantage of greater degrees of freedom in defining their path in the circumferential direction and in the axial direction.
  • the adjusting pin running through the slide track can be guided closely between two slide track walls over its entire path, and consequently the axial movement component of the cam piece can also be braked carefully after it has been moved by a corresponding path guide, whereby mechanical loads on the adjustment pin can be reduced.
  • the cam piece of the valve drive device according to the invention is formed in one piece in such a way that the two cams assigned to the different cylinders and the shift gate are not axially displaceable relative to one another, but are arranged axially fixed on the cam piece.
  • it is a previously described "double cam piece” or, in the case of several cams, a one-piece “multiple cam piece", the individual cams being assigned to two or more cylinders and each providing phase-shifted cam strokes.
  • the two slide tracks each have an engaging area running essentially in the circumferential direction, a displacement area having an axial profile component for axially displacing the cam piece and an ejection area running essentially in the circumferential direction.
  • the cam piece according to the invention thus has two axially spaced apart and separate ejection sections.
  • Each slide track can run around the camshaft axis by more than 360 °, with the start of the engagement area and the end of the ejection area being able to be arranged axially next to one another due to a helical course of the slide track. It is important that the circumferential angular range of the displacement range is limited to the available base circle.
  • the link tracks each have a braking area between the displacement area and the ejection area, which has a curved course such that an axial movement component of the cam piece can be gradually braked is when a braking range is passed through by the adjustment pin.
  • the adjustment pin In the braking area, the adjustment pin can be guided closely on both sides of a slide track wall, the axial course component of which gradually decreases in the direction of the ejection area.
  • the meshing area of each slide track extends axially over a circumferential angle of 90 ° or more next to the ejection area of the respective slide track.
  • the two slide tracks have a symmetrical course with respect to a radial plane of symmetry running centrally between the slide tracks .
  • the two slide tracks can consequently with essentially of identical axial curvature gradually diverge or converge axially.
  • both slide tracks can extend at essentially the same angle (preferably of more than 360 °) in the circumferential direction.
  • the meshing area of each slide track runs axially over a circumferential angle of 90 ° or more next to the ejection area of the respective slide track.
  • the slide tracks preferably have an essentially S-shaped course in the developed form.
  • the cam piece of the valve drive device is set up for adjusting two or more cylinders, at least two cams being provided for providing phase-shifted cam lifts.
  • reliable cylinder control it has proven to be advantageous that the cam strokes of those cams that are assigned to different cylinders are offset from one another in the circumferential direction by more than 30 ° and less than 180 °, in particular are offset from one another by about 90 °.
  • the cam piece can have two or more cam sections, of which each cam section has at least one (full) cam. Immediately next to the (full) cams, a (partial) cam or a (zero) cam can be arranged on the cam piece, so that it is possible to switch between different valve actuation modes by moving the cam piece.
  • the cam piece preferably has at least four cam sections arranged axially rigidly to one another, each with at least one (full) cam and one partial or zero cam, of which two cam sections can be assigned to a cylinder and can be set up to provide cam strokes in the same phase.
  • a cam piece in which the two slide tracks are arranged between the two cam sections, which are assigned to a first cylinder, and the two cam sections, which are assigned to a second cylinder.
  • the two slide tracks are arranged in a central area of the cam piece.
  • Each slide track of the valve drive device according to the invention is preferably assigned an actuator with an adjustment pin for engaging the respective slide track, the diameter of the adjustment pins each being smaller than 6 mm and preferably smaller than 5 mm. Because the cam tracks allow axial braking, the adjustment pins can be made narrower due to the lower load than in conventional valve drive devices with adjustable double cam pieces, in which the diameter of the adjustment pins is regularly 7 or more millimeters.
  • the camshafts can be switched at a higher speed of 1800 rpm, 2000 rpm or more than camshafts with conventional, axially displaceable individual cam pieces, in which the limit speed for a switchover is 1700 rpm. min or less.
  • the invention relates to a cam piece of a valve drive device according to the invention.
  • Figure 1 shows a perspective view of a cam piece 10 of a valve drive device 100 according to the invention.
  • the cam piece is designed in the form of a double cam piece which is set up to actuate valves of two adjacent cylinders, the cams 12 assigned to the first cylinder being out of phase with the cams 14 assigned to the second cylinder of the Cam piece 10 protrude.
  • the phase shift is approximately 90 °.
  • the individual cams 12, 14 are not movable relative to one another; rather, the cam piece 10 is formed in one piece.
  • the illustrated cam piece 10 has a total of four cam sections 15, each of which comprises, on the one hand, a full cam and, on the other hand, either a zero cam or a partial cam.
  • the two cam sections assigned to the second cylinder each have a full cam 14 and a zero cam 16, so that it is possible to switch between full valve switching and valve deactivation, and the two cam sections 15 allocated to the first cylinder each have a full cam 12 and a partial cam 17, so that can be switched between full valve switching and partial valve switching.
  • valve drive device 10 in a longitudinal sectional view. This is in Fig. 1
  • the cam piece 10 shown is arranged axially displaceably on a cam base shaft 52, the cam base shaft 52 forming the camshaft 50 together with the cam pieces 10 displaceably arranged thereon.
  • the cam piece 10 also has in a central area a shift gate 20 with two juxtaposed slide tracks 22, 24, the shift gate 20 being provided for the axial displacement of the cam piece 10 on the cam base shaft 50.
  • an axially fixed adjusting pin 42 of an actuator 40 engages in the first link path 22 of the rotating cam piece 10, whereby the latter is axially guided and displaced.
  • a second axially fixed adjustment pin of a second actuator engages in the second slide track 24 of the rotating cam piece 10, thereby axially guiding it and moving it in the opposite direction.
  • the two slide tracks 22, 24 are provided on the cam piece 10 axially spaced apart from one another and do not have a common track section.
  • the cam piece according to the invention despite its large mass compared to conventional individual cam pieces, can be very defined and gradually axially braked after a respective switching process.
  • each of the two link tracks 22, 24 has a track-in area 32 running in the circumferential direction with a varying groove depth for engaging the adjusting pin 42, and one adjoining it in the circumferential direction Adjustment area 34 with an axial course component for moving or pushing back the cam piece 10, a braking area 36 adjoining it in the circumferential direction for braking the axial movement component of the cam piece following an axial displacement, and an ejection area 38 adjoining it in the circumferential direction with an ejection ramp for Eject the adjustment pin.
  • FIG Fig. 4 shows the slide tracks 22, 24 on the one hand in developed form (see Fig.
  • Reference numeral 62 shows the contact area between the wall of the slide track 22 and the adjustment pin 42 when the cam piece 10 is moved
  • reference numeral 63 shows the contact area between the wall of the slide track 22 and the adjustment pin 42 when the cam piece 10 is axially braked following the displacement.
  • the axially curved walls of the link tracks gradually merge again into walls running in the circumferential direction, so that a defined braking of the cam piece 10 is possible.
  • adjustment pins 42 with a diameter of only about 4.9 mm and correspondingly narrow link tracks 22, 24 can be used, whereby material can be saved and the cam pieces can be made comparatively compact.
  • the adjustment units can be designed to be smaller, which results in lower costs and less space required.
  • the adjustment area 34 of the first gate track 22 curves opposite to the adjustment area 34 of the second gate line 24, which on the one hand enables a displacement of the cam piece 10 in the forward direction V and on the other hand a displacement of the cam piece 10 in the reverse direction R.
  • the slide tracks 22 and 24 run symmetrically with respect to a radial plane of symmetry arranged between them.
  • Fig. 3 shows an engine block with two camshafts 50, each having two cam pieces 10.
  • the valve drive device 100 enables the use of double cam pieces for switching speeds of 2000 rpm or more.
  • the braking increases the durability of the component over the running time and significantly improves acoustics during the switchover process.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ventiltriebvorrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Ventiltriebvorrichtung umfasst eine Nockenwelle mit einem axial verschieblich auf einer Nockengrundwelle angeordneten Nockenstück mit mindestens zwei Nocken, die bei einer Drehung der Nockenwelle phasenverschobene Nockenhübe bereitstellen und verschiedenen Zylindern zugeordnet sind, und einer Schaltkulisse zum axialen Verschieben des Nockenstücks. Das Nockenstück ist in Form eines Doppelnockenstücks ausgebildet und mit den Nocken und der Schaltkulisse einstückig ausgebildet. Die Schaltkulisse weist eine erste Kulissenbahn zum axialen Verschieben des Nockenstücks in einer Vorwärtsrichtung und eine zweite Kulissenbahn zum axialen Verschieben des Nockenstücks in einer der Vorwärtsrichtung entgegengerichteten Rückwärtsrichtung auf.
  • Bekannt sind variable Ventiltriebvorrichtungen in Brennkraftmaschinen, die durch axiales Verschieben von Nockenstücken mit Nocken unterschiedlicher Nockenkontur (bspw. Vollnocken, Halbnocken und/oder Nullnocken) sowohl die Abschaltung einzelner Zylinder als auch eine Ventilhubumschaltung realisieren können (sog. "Schiebenockensysteme"). Variable Ventiltriebvorrichtungen mit axial verschiebbaren Nockenstücken besitzen keine klassische einteilige Nockenwelle, sondern eine Zahnwelle als Nockengrundwelle, auf der zwei oder mehr Nockenstücke verschiebbar angeordnet sind. Die Drehmomentübertragung von der Nockenwelle auf die Nockenstücke erfolgt über die Verzahnung der Zahnwelle. Das Verschieben der Nockenstücke in Axialrichtung erfolgt mithilfe eines ortsfesten Aktuators, der ein Eingreifen eines Betätigungselements wie etwa eines Verstellpins in eine Schaltkulisse des Nockenstücks bewirkt. Bei Drehung des Nockenstücks wird dieses mittels des Verstellpins zwangsgeführt um einen definierten axialen Schaltweg von wenigen Millimetern, der dem Abstand zweier benachbarter Nocken eines Nockenabschnitts des Nockenstücks entspricht, verschoben. Wenn sich das Nockenstück in einer vorgegebenen axialen Endposition befindet, wird der Pin wieder eingefahren bzw. in Richtung auf den Aktuator zurückgeworfen. Um eine Verstellung des Nockenstücks von einer ersten Axialposition in eine zweite Axialposition und umgekehrt bewirken zu können, sind jedem Nockenstück zwei auswerfbare Betätigungselemente zum Eingriff in jeweils eine Kulissenbahn der Schaltkulisse zugeordnet, wobei die erste Kulissenbahn zum Verstellen des Nockenstücks in einer axialen Vorwärtsrichtung und die zweite Kulissenbahn zum Verstellen des Nockenstücks in einer axialen Rückwärtsrichtung vorgesehen ist (Zu- und Abschaltung beim ACT).
  • Wenn jedem Zylinder ein axial verschiebliches Nockenstück ("Einzelnockenstück") zugeordnet ist, benötigen solche herkömmlichen Ventiltriebvorrichtungen pro Zylinder neben dem Nockenstück auch einen Aktuator nebst Schaltkulisse. Eine Mehrzahl an Schaltkulissen und Aktuatoren ist allerdings mit einem erheblichen Kosten- und Montageaufwand verbunden.
  • Bei Ventiltriebvorrichtungen mit einem Einzelnockenstück sind Y-förmig verlaufende Kulissenbahnen mit zwei nebeneinander in Umfangsrichtung verlaufenden Einspurbereichen bekannt, die an einer Y-Vereinigungsstelle in einen gemeinsamen Bahnabschnitt mit einem Auswerfbereich übergehen.
  • Aus DE 10 2011 109 764 A1 und aus DE 10 2014 012 808 A1 sind Ventiltriebvorrichtungen mit axial verschiebbaren Nockenstücken bekannt, an denen zum axialen Verschieben Kulissenbahnen ausgebildet sind, die nicht im Detail beschrieben und dargestellt sind.
  • Die Druckschriften DE 10 2007 056 692 A1 , DE 10 2007 037 358 A1 und DE 10 2011 011 457 A1 beschreiben jeweils zwei bzw. drei axial relativ zueinander verschieblich an der Nockengrundwelle angeordnete Nockenstücke, bei denen die verschiedenen Zylindern zugeordneten Nocken jeweils axial zueinander verschieblich sind. Die einzelnen Nockenstücke können dabei mittels zweier Kulissenbahnen entweder aufeinander zu oder voneinander weg geschoben werden. Die in diesen Druckschriften beschriebenen Ventiltriebvorrichtungen sind besonders komplex und dadurch potentiell fehleranfällig.
  • Aus DE 10 2014 212 395 A1 ist eine Ventiltriebvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
  • Aus DE 10 2994 024 219 A1 ist ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei der Ventiltrieb eine Nockenwelle mit darauf angeordneten verschiebbaren Nockenträgern aufweist. Ein Nockenträger ist dabei jeweils einem Zylinder zugeordnet. Das Verschieben der Nockenträger erfolgt über Betätigungselemente, die in separate Schneckentriebe eingreifen. Die Schneckentriebe weisen jeweils eine Kurvenbahn auf, die in unterschiedliche Funktionen aufweisende Segmente unterteilt ist.
  • In Anbetracht der beschriebenen Probleme und ausgehend von dem zuletzt genannten Dokument des Standes der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ventiltriebvorrichtung mit einem Doppelnockenstück mit einer verbesserten Schaltkulisse bereitzustellen, die eine möglichst lange Haltbarkeit aufweist, die Belastung der Verstellpins reduziert und akustische Auffälligkeiten beseitigt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ventiltriebvorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Ventiltriebvorrichtung umfasst eine Nockenwelle mit einem axial verschieblich auf einer Nockengrundwelle angeordneten Nockenstück mit mindestens zwei Nocken, die bei einer Drehung der Nockenwelle phasenverschobene Nockenhübe bereitstellen und verschiedenen Zylindern zugeordnet sind. Damit ist es erfindungsgemäß möglich, die Ventilhübe zweier oder mehr Zylinder mit einem (einteiligen) Nockenstück im Wesentlichen zeitgleich umzuschalten ("Doppelnockenstück").
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass gemäß der vorliegend verwendeten Bezeichnungsweise bei einem Nockenstück die einzelnen Nocken des Nockenstücks nicht relativ zueinander axial beweglich sind, sondern axial starr relativ zueinander an dem Nockenstück gehalten sind. Falls zwei Nocken relativ zueinander axial beweglich an der Nockengrundwelle gehalten sind, liegen mehrere Nockenstücke vor.
  • Eine Ventilhubumschaltung kann bei einem Doppelnockenstück nur im Grundkreis der Nocken erfolgen. Für die Umschaltung des Ventilhubs von zwei Zylindern mit einem Doppelnockenstück steht zur Umschaltung ein kleinerer gemeinsamer Nockengrundkreis zur Verfügung als bei der Umschaltung der Ventilhübe von zwei Zylindern mittels zweier einzelner Nockenstücke. Die Ventil- und somit auch die Nockenhübe sind bei zwei Zylindern, die mit einem gemeinsamen Nockenstück verstellt werden, regelmäßig um 90° Nockendrehwinkel zueinander verdreht und damit phasenverschoben. Diese 90° Nockendrehwinkel entsprechen der Verringerung des Grundkreises, der zur Verschiebung der Verfügung steht. Aus diesem Grund ist die Kulissenbahnführung zur Umschaltung mehrerer Zylinder mit einem einzigen Nockenstück schwierig.
  • Hinzu kommt, dass die Verstellpins des Aktuators bei der Umschaltung eines Doppelnockenstücks aufgrund der höheren zu verschiebenden Nockenstückmasse und dem kleineren Grundkreisbereich stärker belastet werden als bei einem Einzelnockenstück, das nur einem einzelnen Zylinder zugeordnet ist. Der kürzere Nockengrundkreis führt darüber hinaus zu einer höheren axialen Endgeschwindigkeit des Doppelnockenstücks, was eine zunehmende akustische Auffälligkeit bei steigenden Drehzahlen bewirkt.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung sind die erste Kulissenbahn und die zweite Kulissenbahn derart axial voneinander beabstandet, dass sie keinen gemeinsamen Bahnabschnitt aufweisen. Mit anderen Worten haben die beiden Kulissenbahnen keinen Bahnabschnitt, der sowohl bei einem Verschieben des Nockenstücks in der Vorwärtsrichtung als auch bei einem Verschieben des Nockenstücks in der Rückwärtsrichtung von einem Verstellpin des Aktuators durchlaufen wird. Vielmehr sind die beiden Kulissenbahnen vollständig unabhängig voneinander und axial voneinander beabstandet, so dass die eine Kulissenbahn zum Verschieben des Nockenstücks in der Vorwärtsrichtung und die zweite Kulissenbahn zum Verschieben des Nockenstücks in der Rückwärtsrichtung dient.
  • Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass bei Kulissenbahnen mit einem gemeinsamen Bahnabschnitt der diese durchlaufende Verstellpin an den dabei vorhandenen Kreuzungs-, Verzweigungs- bzw. Vereinigungspunkten potentiell stark beansprucht wird. Insbesondere kann der Verstellpin an dem Vereinigungspunkt gegen einen gegenüberliegenden Wandabschnitt der vereinigten Kulissenbahn stoßen, ohne dass seine axiale Bewegungskomponente zuvor hinreichend abgebremst werden kann, was zu den oben beschriebenen akustischen Auffälligkeiten führen kann. Zwei voneinander unabhängige und axial beabstandete Kulissenbahnen bieten demgegenüber den Vorteil von größeren Freiheitsgraden bei der Festlegung ihres Verlaufswegs in Umfangsrichtung und in axialer Richtung. Insbesondere kann der die Kulissenbahn durchlaufende Verstellpin über seinen gesamten Weg eng zwischen zwei Kulissenbahnwänden geführt werden, und folglich kann die axiale Bewegungskomponente des Nockenstücks nach dem Verschieben durch eine entsprechende Bahnführung auch behutsam abgebremst werden, wodurch mechanische Belastungen des Verstellpins verringerbar sind.
  • Das Nockenstück der erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung ist derart einstückig gebildet, dass die beiden den verschiedenen Zylindern zugeordneten Nocken und die Schaltkulisse nicht axial relativ zueinander verschieblich, sondern axial feststehend am Nockenstück angeordnet sind. Mit anderen Worten handelt es sich um ein zuvor beschriebenes "Doppelnockenstück" bzw. im Falle mehrerer Nocken um ein einteiliges "Mehrfachnockenstück", wobei die einzelnen Nocken zwei oder mehr Zylindern zugeordnet sind und jeweils phasenverschobene Nockenhübe bereitstellen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung weisen die zwei Kulissenbahnen jeweils einen im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Einspurbereich, einen eine axiale Verlaufskomponente aufweisenden Verschiebebereich zum axialen Verschieben des Nockenstücks und einen im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Auswerfbereich auf. Damit weist das erfindungsgemäße Nockenstück zwei axial beabstandete und separate Auswerfabschnitte auf. Jede Kulissenbahn kann die Nockenwellenachse dabei um mehr als 360° umlaufen, wobei der Beginn des Einspurbereichs und das Ende des Auswerfbereichs aufgrund eines helixartigen Verlaufs der Kulissenbahn axial nebeneinander angeordnet sein können. Wichtig ist, dass der Umfangswinkelbereich des Verschiebebereichs auf den zur Verfügung stehenden Grundkreis beschränkt ist.
  • Im Hinblick auf die gute Vermeidung akustischer Auffälligkeiten bei der Verstellung und im Hinblick auf die Erhöhung der Haltbarkeit des Verstellpins weisen die Kulissenbahnen jeweils zwischen dem Verschiebebereich und dem Auswerfbereich einen Bremsbereich auf, der einen derart gekrümmten Verlauf hat, dass eine axiale Bewegungskomponente des Nockenstücks allmählich abbremsbar ist, wenn ein Bremsbereich von dem Verstellpin durchlaufen wird. Im Bremsbereich kann der Verstellpin seitlich auf beiden Seiten eng an einer Kulissenbahnwand geführt werden, dessen axiale Verlaufskomponente sich in Richtung auf den Auswerfbereich allmählich verringert. Ferner verläuft der Einspurbereich jeder Kulissenbahn über einen Umfangswinkel von 90° oder mehr axial neben dem Auswerfbereich der jeweiligen Kulissenbahn.
  • Im Hinblick auf eine einfache Herstellbarkeit des Nockenstücks sowie im Hinblick auf eine symmetrische Beanspruchung der erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung bei einer Verstellung in den beiden Axialrichtungen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die beiden Kulissenbahnen einen symmetrischen Verlauf bzgl. einer mittig zwischen den Kulissenbahnen verlaufenden radialen Symmetrieebene haben. In dem Verschiebebereich können die beiden Kulissenbahnen folglich mit im Wesentlichen identischer axialer Krümmung allmählich axial auseinander bzw. zusammenlaufen. Ferner können sich beide Kulissenbahnen um im Wesentlichen denselben Winkel (von vorzugsweise mehr als 360°) im Umfangsrichtung erstrecken.
  • Im Hinblick auf eine stabile Führung der Verstellpins in der jeweiligen Kulissenbahn verläuft der Einspurbereich jeder Kulissenbahn über einen Umfangswinkel von 90° oder mehr axial neben dem Auswerfbereich der jeweiligen Kulissenbahn.
  • Vorzugsweise haben die Kulissenbahnen in abgewickelter Form einen im Wesentlichen S-förmigen Verlauf.
  • Wie bereits eingangs erläutert, ist das Nockenstück der erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung zum Verstellen von zwei oder mehr Zylindern eingerichtet, wobei mindestens zwei Nocken zum Bereitstellen phasenverschobener Nockenhübe vorgesehen sind. Im Hinblick auf eine zuverlässige Zylinderansteuerung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Nockenhübe derjenigen Nocken, die verschiedenen Zylindern zugeordnet sind, in Umfangsrichtung um mehr als 30° und weniger als 180° zueinander versetzt sind, insbesondere um etwa 90° zueinander versetzt sind.
  • Das Nockenstück kann zwei oder mehr Nockenabschnitte aufweisen, von denen jeder Nockenabschnitt zumindest einen (Voll-)Nocken aufweist. Unmittelbar neben den (Voll-) Nocken kann jeweils ein (Teil-)Nocken oder ein (Null-)Nocken am Nockenstück angeordnet sein, so dass durch Verschieben des Nockenstücks zwischen verschiedenen Ventilbetätigungsmodi umgeschaltet werden kann.
  • Vorzugsweise weist das Nockenstück mindestens vier axial starr zueinander angeordnete Nockenabschnitte mit jeweils mindestens einem (Voll-)Nocken und einem Teil- oder Nullnocken auf, von denen jeweils zwei Nockenabschnitte einem Zylinder zugeordnet und zum Bereitstellen phasengleicher Nockenhübe eingerichtet sein können.
  • Besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine zuverlässige und symmetrische Ventilbetätigung ist ein Nockenstück, bei dem die beiden Kulissenbahnen zwischen den zwei Nockenabschnitten, die einem ersten Zylinder zugeordnet sind, und den zwei Nockenabschnitten, die einem zweiten Zylinder zugeordnet sind, angeordnet sind. Insbesondere sind die beiden Kulissenbahnen in einem zentralen Bereich des Nockenstücks angeordnet.
  • Vorzugsweise ist jeder Kulissenbahn der erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung ein Aktuator mit einem Verstellpin zum Eingriff in die jeweilige Kulissenbahn zugeordnet, wobei der Durchmesser der Verstellpins jeweils kleiner ist als 6 mm und bevorzugt kleiner ist als 5 mm. Aufgrund der eine axiale Abbremsung des Nockenstücks erlaubenden Verläufe der Kulissenbahnen können die Verstellpins aufgrund der geringeren Belastung schmaler ausgebildet werden als bei herkömmlichen Ventiltriebvorrichtungen mit verstellbaren Doppelnockenstücken, bei denen die Durchmesser der Verstellpins regemäßig 7 oder mehr Millimeter betragen.
  • Ferner können erfindungsgemäß die Nockenwellen aufgrund der stabilen, einteiligen Doppelnockenstücke bei einer höheren Drehzahl von 1800 U/min, 2000 U/min oder mehr umgeschaltet werden als Nockenwellen mit herkömmlichen, axial verschieblich zueinander angeordneten Einzelnockenstücken, bei denen die Grenzdrehzahl für eine Umschaltung 1700 U/min oder weniger betragen kann.
  • Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Nockenstück einer erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
    • Fig. 1
    ein Nockenstück einer erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht,
    Fig. 2
    eine erfindungsgemäße Ventiltriebvorrichtung in einer Längsschnittansicht,
    Fig. 3
    einen Blick von oben auf einen Motorblock mit einer erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung,
    Fig. 4
    eine der Erläuterung dienende Ansicht eines Nockenstücks einer erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung, zusammen mit den beiden Kulissenbahnen in abgewickelter Form (Nutabwicklung).
  • Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Nockenstück 10 einer erfindungsgemäßen Ventiltriebvorrichtung 100. Das Nockenstück ist in Form eines Doppelnockenstücks ausgebildet, das zur Betätigung von Ventilen zweier benachbarter Zylinder eingerichtet ist, wobei die dem ersten Zylinder zugeordneten Nocken 12 phasenverschoben zu den dem zweiten Zylinder zugeordneten Nocken 14 von dem Nockenstück 10 vorstehen. Die Phasenverschiebung beträgt bei dem dargestellten Beispiel etwa 90°. Die einzelnen Nocken 12, 14 sind nicht relativ zueinander beweglich; vielmehr ist das Nockenstück 10 einstückig ausgebildet.
  • Das dargestellte Nockenstück 10 weist insgesamt vier Nockenabschnitte 15 auf, die jeweils einerseits einen Vollnocken und andererseits entweder einen Nullnocken oder einen Teilnocken umfassen. Die dem zweiten Zylinder zugeordneten beiden Nockenabschnitte weisen jeweils einen Vollnocken 14 und einen Nullnocken 16 auf, so dass zwischen Ventilvollschaltung und Ventilabschaltung umgeschaltet werden kann, und die dem ersten Zylinder zugeordneten beiden Nockenabschnitte 15 weisen jeweils einen Vollnocken 12 und einen Teilnocken 17 auf, so dass zwischen Ventilvollschaltung und Ventilteilschaltung umgeschaltet werden kann.
  • In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Ventiltriebvorrichtung 10 in einer Längsschnittansicht dargestellt. Dabei ist das in Fig. 1 gezeigte Nockenstück 10 axial verschieblich auf einer Nockengrundwelle 52 angeordnet, wobei die Nockengrundwelle 52 zusammen mit den darauf verschieblich angeordneten Nockenstücken 10 die Nockenwelle 50 bildet.
  • Das Nockenstück 10 weist ferner in einem zentralen Bereich eine Schaltkulisse 20 mit zwei nebeneinander angeordneten Kulissenbahnen 22, 24 auf, wobei die Schaltkulisse 20 zum axialen Verschieben des Nockenstücks 10 auf der Nockengrundwelle 50 vorgesehen ist. Zum Verschieben des Nockenstücks 10 in einer Vorwärtsrichtung V greift ein axial ortsfester Verstellpin 42 eines Aktuators 40 in die erste Kulissenbahn 22 des sich drehenden Nockenstücks 10 ein, wodurch dieses axial geführt und verschoben wird. Zum Verschieben des Nockenstücks 10 in einer Rückwärtsrichtung R greift ein zweiter axial ortsfester Verstellpin eines zweiten Aktuators in die zweite Kulissenbahn 24 des sich drehenden Nockenstücks 10 ein, wodurch dieses axial geführt und in die Gegenrichtung verschoben wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Nockenstück 10 sind die beiden Kulissenbahnen 22, 24 axial voneinander beabstandet an dem Nockenstück 10 vorgesehen und weisen keinen gemeinsamen Bahnabschnitt auf. Dadurch kann das erfindungsgemäße Nockenstück trotz seiner gegenüber herkömmlichen Einzelnockenstücken großen Masse im Anschluss an einen jeweiligen Umschaltvorgang sehr definiert und allmählich axial abgebremst werden. Zu diesem Zweck weist jede der beiden Kulissenbahnen 22, 24 einen in Umfangsrichtung verlaufenden Einspurbereich 32 mit variierender Nuttiefe zum Einspuren des Verstellpins 42, einen sich daran in Umfangsrichtung anschließenden Verstellbereich 34 mit axialer Verlaufskomponente zum Verschieben bzw. zum Zurückschieben des Nockenstücks 10, einen sich daran in Umfangsrichtung anschließenden Bremsbereich 36 zum Abbremsen der axialen Bewegungskomponente des Nockenstücks im Anschluss an eine axiale Verschiebung, und einen sich daran in Umfangsrichtung anschließenden Auswerfbereich 38 mit einer Auswerframpe zum Auswerfen des Verstellpins auf. Diese Verläufe der beiden Kulissenbahnen 22, 24 sind besonders deutlich in Fig. 4 erkennbar, die die Kulissenbahnen 22, 24 zum einen in abgewickelter Form zeigt (siehe Fig. 4, Mitte), und die zum anderen das Tiefenprofil 85 der Kulissenbahnen zeigt (siehe Fig. 4, rechts). Wie ferner in Fig. 4 erkennbar ist, haben die beiden Kulissenbahnen 22, 24 in abgewickelter Form im Wesentlichen einen S-förmigen Verlauf. Aufgrund der Funktionstrennung zwischen Hin- und Rückschaltung wird über den gesamten Umschaltvorgang eine enge Führung des Verstellpins ermöglicht.
  • Bezugszeichen 62 zeigt den Kontaktbereich zwischen der Wand der Kulissenbahn 22 und dem Verstellpin 42 beim Verschieben des Nockenstücks 10, und Bezugszeichen 63 zeigt den Kontaktbereich zwischen der Wand der Kulissenbahn 22 und dem Verstellpin 42 beim axialen Abbremsen des Nockenstücks 10 im Anschluss an die Verschiebung.
  • Im Bremsbereich 36 gehen die axial gekrümmten Wände der Kulissenbahnen allmählich wieder in in Umfangsrichtung verlaufende Wände über, so dass eine definierte Abbremsung des Nockenstücks 10 möglich ist. Aufgrund dieser allmählichen Abbremsung können Verstellpins 42 mit einem Durchmesser von nur etwa 4,9 mm und entsprechend schmale Kulissenbahnen 22, 24 verwendet werden, wodurch Material eingespart werden kann und die Nockenstücke vergleichsweise kompakt ausgebildet werden können. Darüber hinaus können die Verstelleinheiten kleiner ausgelegt werden, was geringere Kosten und einen kleineren beanspruchten Bauraum zur Folge hat.
  • Der Verstellbereich 34 der ersten Kulissenbahn 22 krümmt sich entgegengesetzt zu dem Verstellbereich 34 der zweiten Kulissenban 24, wodurch zum einen eine Verschiebung des Nockenstücks 10 in der Vorwärtsrichtung V und zum anderen eine Verschiebung des Nockenstücks 10 in der Rückwärtsrichtung R ermöglicht ist. Insgesamt verlaufen die Kulissenbahnen 22 und 24 symmetrisch bzgl. einer dazwischen angeordneten radialen Symmetrieebene.
  • In Fig. 3 ist ein Motorblock mit zwei Nockenwellen 50 dargestellt, die jeweils zwei Nockenstücke 10 aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Ventiltriebvorrichtung 100 ermöglicht den Einsatz von Doppelnockenstücken für Schaltdrehzahlen von 2000 U/min oder mehr. Darüber hinaus wird durch die Abbremsung eine Steigerung der Bauteilhaltbarkeit über die Laufzeit und eine wesentlich verbesserte Akustik beim Umschaltvorgang erzielt.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Nockenstück
    12, 14
    Nocken
    15
    Nockenabschnitte
    16
    Nullnocken
    17
    Nocken
    20
    Schaltkulisse
    22, 24
    Kulissenbahnen
    32
    Einspurbereich
    34
    Verschiebebereich
    36
    Bremsbereich
    38
    Auswerfbereich
    40
    Aktuator
    42
    Verstellpin
    50
    Nockenwelle
    52
    Nockengrundwelle
    62
    Kontaktbereich beim Verschieben
    63
    Kontaktbereich beim Abbremsen
    85
    Tiefenprofil
    V
    Vorwärtsrichtung
    R
    Rückwärtsrichtung

Claims (7)

  1. Ventiltriebvorrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Nockenwelle (50) mit einem axial verschieblich auf einer Nockengrundwelle (52) angeordneten Nockenstück (10) mit mindestens zwei Nocken (12, 14), die bei einer Drehung der Nockenwelle (50) phasenverschobene Nockenhübe bereitstellen und verschiedenen Zylindern zuordenbar sind, wobei das Nockenstück (10) in Form eines Doppelnockenstücks ausgebildet ist, und mit einer Schaltkulisse (20) zum axialen Verschieben des Nockenstücks (10), wobei das Nockenstück (10) mit den Nocken (12, 14) und der Schaltkulisse (20) einstückig ausgebildet ist, wobei die Schaltkulisse eine erste Kulissenbahn (22) zum axialen Verschieben des Nockenstücks in einer Vorwärtsrichtung (V) und eine zweite Kulissenbahn (24) zum axialen Verschieben des Nockenstücks in einer der Vorwärtsrichtung entgegengerichteten Rückwärtsrichtung (R) aufweist, wobei die erste Kulissenbahn (22) und die zweite Kulissenbahn (24) axial voneinander beabstandet sind und keinen gemeinsamen Bahnabschnitt aufweisen, wobei
    die Kulissenbahnen (22, 24) jeweils einen im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Einspurbereich (32), einen eine axiale Verlaufskomponente aufweisenden Verschiebebereich (34) zum axialen Verschieben des Nockenstücks (10) und einen im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufenden Auswerfbereich (38) aufweisen, wobei die Kulissenbahnen jeweils zwischen dem Verschiebebereich (34) und dem Auswerfbereich (38) einen Bremsbereich (36) aufweisen, der einen derart gekrümmten Verlauf hat, dass eine axiale Bewegungskomponente des Nockenstücks beim Durchlaufen eines Verstellpins (42) allmählich abbremsbar ist und wobei der Einspurbereich (32) jeder Kulissenbahn über einen Umfangswinkel von 90° oder mehr axial neben dem Auswerfbereich (38) der jeweiligen Kulissenbahn verläuft.
  2. Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kulissenbahnen (22, 24) im Wesentlichen einen symmetrischen Verlauf bzgl. einer mittig zwischen den Kulissenbahnen verlaufenden radialen Symmetrieebene haben.
  3. Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulissenbahnen (22, 24) in abgewickelter Form einen im Wesentlichen S-förmigen Verlauf haben.
  4. Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenhübe der verschiedenen Zylindern zuordenbaren Nocken (12, 14) in Umfangsrichtung um mehr als 30° und weniger als 180° zueinander versetzt sind, insbesondere um etwa 90° zueinander versetzt sind.
  5. Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenstück (10) mindestens vier axial starr zueinander angeordnete Nockenabschnitte (15) mit jeweils mindestens einem Nocken (14) und einem Nullnocken (16) oder zwei oder mehr Nocken (12, 17) aufweist, von denen jeweils zwei Nockenabschnitte einem Zylinder zuordenbar und zum Bereitstellen phasengleicher Nockenhübe eingerichtet sind.
  6. Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kulissenbahnen (22, 24) zwischen den zwei Nockenabschnitten, die einem ersten Zylinder zuordenbar sind, und den zwei Nockenabschnitten, die einem zweiten Zylinder zuordenbar sind, und insbesondere in einem zentralen Bereich des Nockenstücks (10) angeordnet sind.
  7. Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kulissenbahn (22, 24) ein Aktuator (40) mit einem Verstellpin (42) zum Eingriff in die jeweilige Kulissenbahn zugeordnet ist, wobei der Durchmesser der Verstellpins jeweils kleiner ist als 6 mm und bevorzugt kleiner ist als 5 mm.
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