Beschreibung
Vorrichtung zur variablen Betätigung der Ladungswechselventile in Hubkolbenmotoren
Es ist bekannt, daß der Hubverlauf der Ladungswechselventile in Hubkolbenmotoren einen entscheidenden Einfluß auf das Betriebsverhalten und die Betriebswerte des Motors hat. Insbesondere zur Verminderung der Ladungswechselverluste bei ladungsmassengesteuerten Motoren ist ein im Motorbetrieb kontinuierlich veränderbarer Ventilhubverlauf wünschenswert. Dabei kann sowohl eine Veränderung des Hubverlaufs von Ein- und Auslaßventilen, als auch eine Veränderung nur bei den Einlaßventilen vorteilhaft sein. Für die technische Umsetzung einer solchen variablen Ventilsteuerung sind u.a. viergliedrige Ventilgetriebe (z.B. DE 38 33 540 C2, DE 43 22 449 AI, BMW-valvetronic) bekannt. Solche Ventilgetriebe ermöglichen eine kontinuierliche Veränderung des Ventilhubverlaufs im Motorbetrieb.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vom Motor gestellten Anforderungen an eine variable
Ventilsteuerung besser als nach dem Stand der Technik zu erfüllen. Diese Anforderungen beschreiben sich zum einen in der Gestaltung der einzelnen Ventilhubverläufe, der erzeugbaren Schar an Ventilhubverläufen und zum anderen in der Größe der mechanischen Verluste durch Reibung beim Antrieb der Ventile. Die einzelnen Ventilhubverläufe und die erzeugbare Schar an Ventilhubverläufen müssen möglichst frei hinsichtlich
Öffnungswinkel, Schließwinkel, Ventilhub, Ventilbeschleunigungsverlauf und Phasenlage zum Kurbelwinkel gestaltbar sein. Die Verluste durch mechanische Reibung sind möglichst klein zu halten. Diese Anforderungen sind möglichst ohne zusätzlichen Bauaufwand, insbesondere Bauhöhe zu erfüllen.
Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale eines Getriebes zur Betätigung der Ventile gelöst.
Das Getriebe besteht aus einer antreibenden Welle (W), welche im Gehäuse (G) in einem Drehgelenk (wg) umlauffähig geführt ist und welche über ein Kurvengelenk (zw) ein Zwischenglied (Z) betätigt. Dieses Zwischenglied (Z) stützt sich zum einen über ein Kurvengelenk (zg) im Gehäuse (G), zum Beispiel im Zylinderkopf ab und ist mit einem Abtriebsglied (A) wirkverbunden. Das Kurvengelenk (zg) zwischen dem Zwischenglied (Z) und dem Gehäuse (G) besteht aus einem eine Rast bildenden Abschnitt und aus einem Steuerabschnitt. Zur Veränderung des Ventilhubes ist vorgesehen, die Position (a) des Steuerabschnittes zum Drehgelenk (wg) der Welle (W) im Gehäuse (G) im Motorbetrieb veränderbar zu gestalten. Das Abtriebsglied (A) ist im Gehäuse (G) eindeutig, beispielsweise in einem Drehgelenk (ag) geführt und überträgt die Bewegung auf mindestens ein Ventil (V).
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile ergeben sich daraus, daß das Zwischenglied (Z) mit dem Abtriebsglied (A) über ein Kurvengelenk (za) verbunden ist und hierdurch die Zahl der Gelenkwertigkeiten an dem von der Welle (W) angetriebenen Zwischenglied (Z) und gleichzeitig die Summe der Gelenkwertigkeiten des Getriebes vermindert wird. Im Gegensatz zu
dem bekannten Stand der Technik hat das Getriebe einen zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrad, welcher eine Verschiebung des Zwischengliedes (Z) relativ zum Abriebsglied (A) entlang der Kurve des Kurvengelenkes (za) zwischen Zwischenglied (Z) und Abtriebsglied (A) und gleichzeitig eine Drehung des Zwischengliedes (Z) relativ zum Abriebsglied (A) um das
Kurvengelenk (za) zwischen Zwischenglied (Z) und Abtriebsglied (A) zulässt. Mit dem erfindungsgemäßen Kurvengelenk (za) zwischen dem Zwischenglied (Z) und dem Abtriebsglied (A) ist die Bewegung des Zwischengliedes (Z) und damit die Bewegungsübertragung von der antreibenden Welle (W) auf das Abtriebsglied (A) und damit auf das Ventil (V) mit größerer Freiheit als beim Stand der Technik gestaltbar.
Der zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrad bewirkt ein Abrollen des Zwischengliedes (Z) am Abtriebsglied (A). Durch diese Drehbewegung wird eine Verdrängungsströmung des Schmiermittels bewirkt, die ihrerseits den Aufbau eines tragfähigen Schmierfilms im Kontakt von Zwischenglied (Z) und Abtriebsglied (A) maßgeblich unterstützt. Zusätzlich reduziert die Drehbewegung teilweise die Gleitgeschwindigkeit im Kontaktpunkt durch Abrollen. Jeder dieser Effekte vermindert die Reibung im erwähnten Kontaktpunkt.
Die erfindungsgemäße Gestaltung besitzt zudem den Vorteil, keinen gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Platzbedarf zu verursachen.
In Patentanspruch 2 ist die vorteilhafte Gestaltung der Kontur (Kza oder Kaz) einer der beiden Kontaktpartner im Kurvengelenk (za) zwischen Zwischenglied (Z) und Abtriebsglied (A) als ebene Fläche beschrieben.
Hierdurch ist die Herstellung der Bauteile kostengünstiger und fertigungsgenauer als bei frei gestalteter Kontur beider Getriebeglieder.
In Patentanspruch 3 ist die vorteilhafte Gestaltung der Kontur (Kaz oder/und Kza) mindestens einer der beiden Kontaktpartner im Kurvengelenk (za) zwischen Zwischenglied (Z) und Abtriebsglied (A) als Kreisbogen beschrieben. Hierdurch ist die Herstellung der Bauteile kostengünstiger und fertigungsgenauer als bei frei gestalteter Kontur der Getriebeglieder.
In den Patentansprüchen 4 - 7 sind weitere vorteilhafte Gestaltungen der Kurvengelenke beschrieben.
Durch eine Gestaltung eines Kurvengelenkes derart, daß die kurvengelenkbestimmende Kontur ausschließlich dem einen Kontaktpartner zugeordnet wird, wird die Kontur des anderen Kontaktpartners ein Kreisbogen oder ein Kreis, welcher vorteilhaft als umlauffähige Rolle ausgebildet ist. Hierdurch wird in diesem Kurvengelenk ein Abwälzen der Kontaktpartner an der die kurvengelenkbestimmenden Form erreicht und die Tangentialbewegung auf die Lagerung der umlauffähigen Rolle verschoben. Durch die bei Gleitlagern bekannten Werkstoffe und Schmierverhältnisse und durch Verwendung eines kleinen Reibradius wird so die Reibung in diesem Kurvengelenk vermindert.
Patentanspruch 4 beschreibt eine Ausführung des Getriebes, bei welcher die kurvengelenkbestimmende Kontur des Kurvengelenkes (zg) zwischen Zwischenglied (Z) und Gehäuse (G) ausschließlich durch die Kontur (Kzgl) am Zwischenglied (Z) gebildet wird und die Kontur (Kgzl) der gehäuseseitigen Abstützung eine umlauffähige Rolle ist (Abbildung 2).
Patentanspruch 5 beschreibt eine Ausführung des Getriebes, bei welcher die kurvengelenkbestimmende Kontur des Kurvengelenkes (zg) zwischen Zwischenglied (Z) und Gehäuse (G) ausschließlich durch die Kontur (Kgz2) am Gehäuse (G) gebildet wird und die zwischengliedseitige Kontur (Kzg2) eine umlauffähige Rolle ist (Abbildung 3).
Patentanspruch 6 beschreibt eine Ausführung des Getriebes, bei welcher die kurvengelenkbestimmende Kontur des Kurvengelenkes (zw) zwischen Zwischenglied (Z) und Welle (W) ausschließlich durch die Kontur (Kwzl) an der Welle (W) gebildet wird und die zwischengliedseitige Kontur (Kzwl) eine umlauffähige Rolle ist (Abbildung 4).
Patentanspruch 7 beschreibt eine Ausführung des Getriebes, bei welcher die kurvengelenkbestimmende Kontur des Kurvengelenkes (za) zwischen Zwischenglied (Z) und Abtriebsglied (A) ausschließlich durch die Kontur (Kazl) am Abtriebsglied (A) gebildet wird und die zwischengliedseitige Kontur (Kzal) ein Kreisbogen (Abbildung 5) oder eine umlauffähige Rolie,ist.
In Patentanspruch 8 sind Ausführungsformen beschrieben, bei denen durch mehrfache Anwendung des reibungsmindernden Effekts in den Kurvengelenken am Zwischenglied (Z) die Reibung des Getriebes weiter abgesenkt wird.
In Patentanspruch 9 sind Ausführungsformen der Kurvengelenke beschrieben, bei welchen jeweils durch Verwendung eines Wälzlagers zur
Abstützung einer umlauffähigen Rolle die Reibung in den Kurvengelenken am Zwischenglied (Z) weiter vermindert wird.
Patentanspruch 10 beschreibt die vorteilhafte Gestaltung des Zwischengliedes (Z), bei welchem mindestens zwei der Kurvengelenke am Zwischenglied (Z) zwischengliedseitig durch Rotationskörper dargestellt werden und mindestens zwei der Drehmitten dieser Rotationskörper zusammenfallen. Auf diese Weise wird der Bauraum minimiert und die sic j&- aus der Drehbeschleunigung des Zwischengliedes (Z) ergebenden Kräfte werden verkleinert.
Im Extremfall sind alle drei Kurvengelenke am Zwischenglied (Z) zwischengliedseitig durch Rotationskörper dargestellt und alle drei Drehmitten fallen zusammen (Abbildung 6). Auf diese Weise wird der kleinste Bauraumbedarf erzielt. Die Drehlage des Zwischengliedes (Z) als Bewegungsfreiheitsgrad ist dann für die Bewegungsübertragung ohne Bedeutung.
^^Patentanspruch 11 ist ausgeführt, daß durch eine gemeinsame Betätigung von mehreren Abtriebsgliedern (Ai) und Ventilen (Vi) eines Zylinders durch einen Nocken (N) und ein Zwischenglied (Z) die Gelenkzahl und die bewegten Massen vermindert werden können, was vorteilhaft die Reibung vermindert und über die Verkleinerung der Zahl der Bauteile zudem den Bauaufwand verkleinert (Abbildung 7).
In Patentansprüchen 12 und 13 ist ausgeführt, daß die das Kurvengelenk (zg) zwischen Zwischenglied (Z) und Gehäuse (G) bildende Kurve (Kgz2) im Gehäuse (G) aus einem die Ventilrast bildenden Teil (gl) und einem den
Steuerbereich bildenden Teil (g2) besteht. Beispielsweise kann das den Steuerbereich bildende Teil (g2) in einem Schiebeteil (S) drehbar und das Schiebeteil (S) im Gehäuse (G) verschiebbar befestigt sein. Die Verschiebeposition (rs) des Schiebeteils (S) kann beispielsweise durch einen im Gehäuse (G) befestigten Nocken (VNs) eingestellt werden. Die
Drehbewegung (rd) des den Steuerbereich bildenden Teils (g2) kann durch einen im Gehäuse (G) befestigten Nocken (VNd) oder durch einen im Schietbeteil (S) befestigten Nocken (VNd) eingestellt werden. Auf diese Weisest ist die Drehbewegung (rd) des den Steuerbereich bildenden Teils (g2) unabhängig von der Verschiebeposition (rs) des Schiebeteils (S) einstellbar. Im einfachsten Fall wird die Drehbewegung (rd) durch einen im Gehäuse (G) befindlichen Nocken durch die Verschiebung (rs) des Schiebeteils (S) gesteuert. Auf diese Weise kann zur Veränderung der Ventilhubkurve der Lage (a) der Steuerkurve in Rastrichtung verschiebbar (rv) und verdrehbar (rd) ausgeführt werden. Hierdurch wird die Gestaltungsfreiheit der Ventilhubkurve weiter erhöht. Ein Kontaktverlust der Getriebeglieder tritt nicht-auf. Insbesondere kann bei gleichem Ventilöffnungswinkel die Ventilbeschleunigung und der Ventilhub zusätzlich verändert werden (Abbildung 8).
Das den Rastabschnitt bildende Teil (gl) im Gehäuse (G) kann dazu genutzt werden die Rückstellbewegung des Zwischengliedes (Z) und damit den Nockenkontakt zu gewährleisten, indem es im Gehäuse (G) drehbar gelagert ist und eine Kraft auf das Zwischenglied (Z) ausübt, welche dieses zum Nocken (N) hin bewegt.
Diese Kraft wird beispielsweise über eine Federkraft (KF) erzeugt. Bei einer derartigen Gestaltung kann der erforderliche Federweg sehr klein ausgeführt sein (Abbildung 9).