WO2004018847A1

WO2004018847A1 - Kipphebel für die ventilbetätigung von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: WO2004018847A1
Application number: PCT/CH2003/000307
Authority: WO
Inventors: Alberto Keel
Original assignee: Alberto Keel
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-03-04
Also published as: US20050166876A1; US7171930B2; AU2003229224A1; CA2496451A1

Abstract

Es ist ein Kipphebel für die Ventilbetätigung von Verbrennungsmotoren beschrieben. Der Kipphebel weist wenigstens zwei Drehachsen (10, 11) auf, die bei Bedarf anwählbar sind, um dadurch das Verhältnis von Kraftarm zu Lastarm zu verändern. Dadurch können die Steuerzeiten und der Ventilhub gezielt beeinflusst werden.

Description

Kipphebel für die Nentilbetätigung von Verbrennungsmotoren

Die Erfindung betrifft einen Kipphebel für die Nentilbetätigung von Verbrennungs- motoren. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Kipphebel mit umschaltbarem

Übersetzungsverhältnis. Mit seiner Anwendung sind der Ventilhub und die Steuerzeit in Verbrennungsmotoren mit hängenden Ventilen veränderbar.

Das genannte System trägt den Grundgedanken, den Hub und die Steuerzeiten der Ventile eines Verbrennungsmotors regelbar zu gestalten. Motoren mit variablem Ventiltrieb weisen gegenüber den „ normalen „ Motoren grosse Vorteile auf. Sie besitzen hervorragende Lauf eigenschaf en über der ganzen Drehzahlbereich. Der Schadstoff - ausstoss sowie der Kraftstoffverbrauch kann erheblich reduziert werden. Durch die regelbare Gestaltung des Hubs und der Ventilsteuerzeiten können auch mit kleineren Motoren höhere Leistungen erzielt werden. Die gesamte Autoindustrie arbeitet mit grossem Aufwand an dieser gefragten Technik.

Im Stand der Technik ist durch die DE-A-3443 855 ein Kipphebelsystem bekannt, welches das Übersetzungsverhältnis mit Hilfe einer Zahnstange und einem Zahnsegment verändert. Die US-A-4,438,736 zeigt ein System, welches zwischen dem Kipphebel und dem Ventil eine Kurvenscheibe enthält. Die US-A-5,937,809 zeigt ein System, bei dem durch das Verdrehen des Kipphebels um die Nockenwelle die Steuerzeiten veränderbar sind. Die US-A-5,003,939 zeigt ein System, bei dem sich die Nockenwelle in einem Exzenter dreht. Durch Verdrehen des Exzenters ist der Ventilhub veränderbar. Die US-A-5,857,438 zeigt eine hydraulische Venti übregelung.

Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich der erfindungsgemässe Kipphebel dadurch aus, das er sehr kompakt und einfach aufgebaut ist. Dies wird dadurch erzielt, dass der Kipphebel für die Ventilbetätigung von Verbrennungsmotoren mehr als eine, vorzugsweise zwei, Drehachsen aufweist, die bei Bedarf anwählbar sind. Die gesamte Mechanik, welche für die Realisierung der variablen Steuerzeit benötigt wird, ist bereits im Kipphebel integriert. Die Vielzahl der möglichen Ausführungsvarianten er- möglicht es sogar, Motoren älterer und sogar ganz alter Bauart mit der erfindungsge- mässen Lösung auszustatten (Fig. 13 ). Neue Motoren können vereinfacht konstruiert werden. Auf technisch komplexe Ventilantriebe, wie sie aus dem zuvor geschilderten Stand der Technik bekannt sind, kann verzichtet werden.

Im Folgenden wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen erläutert. Die beschriebene Variante basiert dabei beispielsweise auf einem traditionell amerikanischen V8 Motor mit zentraler Nockenwelle aus dem Jahre 1965. Es zeigen in nicht massstabsgetreuer Darstellung:

Fig. 1 einen Kipphebel gemäss der Erfindung im Zusammenwirken mit einem Ventil;

Fig. 2 - Fig. 4 Detaildarstellungen des Kipphebels aus Fig. 1 mit jeweils am Kipphebel körper erläuterten Drehpunkten und Hebelarmen;

Fig. 5 - Fig. 7 Detaildarstellungen des Kipphebels, insbesondere der Exzenterbuchse und der Hauptwelle mit Anschlagstift;

Fig. 8 und Fig. 9 zwei Darstellungen des kompletten Kipphebels;

Fig. 10 eine zu Fig. 1 analoge Darstellung, die den Kipphebel im belasteten Zustand bei grosser Übersetzung zeigt;

Fig. Ha und Fig. 11b zwei Diagramme des Ventilhubes und der Steuerzeiten bei unterschiedlichen Kipphebelübersetzungen;

Fig. 12 eine Differenzdarstellung aus der Überlagerung der beiden Diagramme aus Fig. 11a und Fig. 11b;

Fig. 13 eine auseinandergezogene Ansicht einer Variante des erfrndungsgemässen Kipphebels; Fig. 14 - Fig. 16 eine modifizierte Exzenterbuchse in drei Ansichten; und

Figs. 17 und Fig. 18 zwei Ansichten einer Variante des Mitnehmerstiftes zum Einsatz in Verbindung mit der Exzenterbuchse gemäss Fig. 14 - Fig. 16.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Kipphebels umfasst einen Kipphebelkörper 1. Der Kipphebelkörper 1 wird gemäss dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Stossstange 9 angetrieben. In einer alternativen Ausführungsvariante kann er auch direkt durch die Nockenwelle angetrieben werden. Eine Kugelpfanne 2 dient zur Aufnahrne der Stossstange 9. Die Kugelpfanne 2 sitzt im Presssitz im Kipphebelkörper 1. Sie kann auch eingeschraubt sein. Am gegenüberliegenden Ende des Kipphebelkörpers 1 ist ein Betätigungskopf 4 angeordnet, über den ein Ventil 20 betätigbar ist. Der Kipphebel ist derart ausgebildet, dass er sich in einer ersten Stellung frei um eine Exzenterbuchse 5 drehen kann. Die Exzenterbuch- se 5 ist in eine Zentralbohrung 8 des Kipphebelkörpers eingesetzt und kann sich um einen bestirnmten Winkel frei um eine Zentralwelle 6 des Kipphebels drehen. Bei einer Krafteinwirkung weist die Exzenterbuchse 5 die Tendenz auf, sich gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Ein als Verdrehsicherung vorgesehener Anschlagstift 7 verhindert dies. Dadurch dreht sich der Kipphebel um eine erste Drehachse 10. Ein von einer Druckfeder 12 belasteter Mi nehmerstift 3 wird dabei mittels Öldruck in der Freigabeposition gehalten. Wird der Öldruck auf ein Minimum, reduziert, so verbindet der Mitnehmerstift 3 den Kipphebelkörper 1 mit der Exzenterbuchse 5. Nun dreht sich der Kipphebelkörper 1 zusammen mit der Exzenterbuchse 5 um die Drehachse 11 der Zentralwelle 6.

In Fig. 2 sind die zwei verschiedenen Drehachsen 10 und 11 des Kipphebels am Kipphebelkörper 1 jeweils mit einem Zielkreuz gekennzeichnet. Je nachdem, um welchen Drehpunkt der Kipphebel sich dreht, verändert sich das Übersetzungsverhältnis von Kraftarm Ll und Lastarm L2 , wie dies in Fig. 3 und Fig.4 ersichtlich ist.

Fig. 5 und 6 zeigen eine Auf sichts- und eine Schnittdarstellung der Exzenterbuchse 5, die i zusammengesetzten Zustand des Kipphebels von der Zentralbohrung des Kipp- hebelkörpers aufgenommen wird. Die Exzenterbuchse 5 ist ein wesentliches Element für die Erzielung der unterschiedhchen Übersetzungsverhältnisse. Sie ist mit einer axialen Bohrung 13 versehen und besitzt an ihrer Oberfläche eine Ausfräsung 14 mit einer Mitnehmerfläche 15. Eine Ölbohrung 15 erstreckt sich von der Ausfräsung 14 in Richtung der axialen Bohrung 13. Eine Anschlagfläche 17 dient zur Abstützung des Anschlagstifts. Wie aus Fig. 1 und Fig. 7 ersichtlich ist, wird die Exzenterbuchse 5 auf die Zentralwelle 6 mit der Drehachse 11 geschoben und durch den Anschlagstift 7 gesichert. Der Anschlagstift 7 und die Anschlagfläche 17 sind in Anlage und verhindern eine Drehung der Exzenterbuchse 5 um die Drehachse 11 der Zentralwelle 6. Diese Verdrehtendenz der Exzenterbuchse 5 ist durch das Drehmoment M verursacht, welches bei der Krafteinwirkung beim Öffnen des Ventils entsteht. Dadurch ist gewährleistet, dass die Drehachse des Kipphebels die Drehachse 10 bleibt. Dies ist in Fig. 8 dargestellt. Insbesondere sind aus Fig. 8 auch die beim Öffnen des Ventils auftretenden Kräfte Fl - F3 dargestellt, die in dem Drehmoment M resultieren, welches versucht, die Exzenterbuchse 5 zu verdrehen. Solange der federbelastete Mitnehmerstift 3 nicht in

Eingriff mit der Mitnehmerfläche 15 kommt kann sich der Kipphebel frei um die Exzenterbuchse 5 mit der ersten Drehachse 10 drehen. Die Exzenterbuchse 5 kann sich bezüglich der Zentralwelle 6 nicht verdrehen, da sie vom Anschlagstift 7 blockiert ist. In diesem Zustand arbeitet der Kipphebel mit kleinem Übersetzungsverhältnis gemäss Fig. 3.

Fig. 9 zeigt den Zustand des Kipphebels, in dem von einem kleinen zu einem grossen Übersetzungsverhältnis umgeschaltet ist, der Kipphebel demnach gemäss Fig. 4 um die Drehachse 11 der Zentralwelle dreht. Der für den Umschaltvorgang veranwortliclie Mitnehmerstift 3 ist in Fig. 9 eingekreist hervorgehoben. Dieser ist bei einem im unteren Drehzahlbereich laufendem Motor über die Ölbohrung 16 mit Öldruck beaufschlagt. Der Öldruck wirkt der Federkraft der Druckfeder 12 entgegen und hält den Mitnehmerstift 3 ausser Eingriff mit der Mitnehmerfläche 15 der Exzenterbuchse 5. Der Öldruck stammt beispielsweise vom Ölkreislauf des Motors und wird in die als Hohl- welle ausgebildete Zentralwelle 6 eingespeist. Durch Durchgangsbohrungen in der Zentralwelle gelangt das Öl zum Umschaltmechanismus in den Kipphebeln. Wird der Lastzustand des Motors so verändert, dass eine Umschaltung auf längere Steuerzeiten und grösseren Ventilhub zweckmässig ist, wird dies vom Motorenmanagement ausgeführt. Dazu wird ein vorzugsweise elektrisch betätigbares Hydraulikventil aktiviert, welches den Öldruck im Kipphebelsystem auf ein Miriimum redu- ziert, aber immer noch eine ausreichend grosse Schmierung gewährleistet ist. Durch das Verschwinden der Gegenkraft des Öldrucks kann nun die Druckfeder 12 den Mitnehmerstift 3 in Richtung der Exzenterbuchse 5 drücken. Sobald das Ventil geschlossen ist, ist die Ausfräsung in der Exzenterbuchse 5 freigegeben und der Mitnehmerstift 3 fällt in sie hinein und gelangt in Eingriff mit der Mitnehmerfläche 15. Dadurch ist die Exzenterbuchse 5 mit dem Kipphebelkörper 1 mechanisch verbunden. Dieser Umschaltvorgang geschieht bei laufendem Motor in Bruchteilen einer Sekunde. Nun dreht sich der Kipphebelkörper 1 zusammen mit der Exzenterbuchse 5 u die Drehachse 11 der Zentralwelle 6. Dadurch weist der Kipphebel für die Ventilbetätigung ein grosses Übersetzungverhältnis gemäss Fig.4 auf.

Fig. 10 zeigt den Kipphebel bei geöffnetem Ventil. Die Bezugszeichen entsprechen denjenigen in Fig. 1. Durch den Kreis ist hervorgehoben, dass sich die Exzenterbuchse 5 aus dem Anschlag zwischen dem Anschlagstift 7 und der Anschlagfläche 17 ausdrehen kann. Die Exzentrizität der Exzenterbuchse 5 bestimmt die Ventilhubdiff erenz und die Differenz der nominalen Steuerzeiten. Aus einem Vergleich der Fig. 1 und 10 ist der aus der Veränderung der Drehachse resultierende grössere Hub unmittelbar ersichtlich.

In den Diagrammen in Fig. lla,Fig. 11b und Fig. 12 ist der Einfluss der Umschaltung auf die Steuerzeit und auf den Ventilhub ersichtlich. Die in diesem Beispiel verwendete Nockenwelle zeichnet sich durch hohe Leistung im hohen Drehzahlbereich aus. Im niedrigen Drehzahlbereich würde sie ohne Umschaltung auf kurze Steuerzeiten keine zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Das Diagramm in Fig. Ha zeigt beispielsweise eine Ventilerhebungskurve bei einernKipphebelübersetzungsverhältnis 1.5 : 1, was dem Normalfall entspricht. Die Ventilspieleinstellung beträgt 0.55 mm. Die effektive Steuerzeit beträgt 284°. Der effektive Ventilhub beträgt 12.06 mm. Das Diagramm in Fig. 11b zeigt den Verlauf des Ventilhubs bei einem Kipphebelübersetzungsverhältnis von 1.1 : 1. Die Ventilspieleinstellung beträgt wiederum 0.55 mm. Die effektive Steuerzeit beträgt nun 268° und der effektive Ventilhub beläuft sich auf 8.71 mm. In Fig. 12 sind die beiden Diagramme aus Fig. Ha und Fig. 11b zusammengefasst, um die Differenzen der effektiven Steuerzeiten und des effektiven Ventilhubs ersichtlich zu ma- chen.

Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kipphebels in auseinandergezogener Darstellung. Gleiche Bestandteile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Kipphebelkörper trägt wiederum das Bezugszeichen 1. Der Kipphebelkör- per 1 ist mit einer Zentralbohrung 8 versehen, welche die Exzenterbuchse 5 aufnimmt. Die Ausfräsung an der Umfangsfläche der Exzenterbuchse 5 trägt das Bezugszeichen 14 und dient zur Aufnahme von zwei Mitnehmerstiften 3, welche in Bohrungen des Kipphebelkörpers 1 geführt sind. Die Druckfedern, welche gleichfalls in den Bohrungen sitzen und die Mitnehmerstifte 3 belasten, sind in Fig. 13 nicht dargestellt. Der Betätigungskopf 4 des Kipphebelkörpers 1 ist gegabelt ausgebildet und trägt zwischen den Gabelteilen eine Betätigungsrolle 18, welche über einen Achsstift 19 fixiert ist. Eine Bohrung 26 nimmt den Anschlagstift 7 auf. Die axiale Bohrung 13 in der Exzenterbuchse 5 nimmt die Zentralwelle 6 auf. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass die Zentralwelle 6 für die Ölzufuhr als Hohlwelle ausgebildet ist. Auf der Zentralwelle 6 sitzt auch ein Stellkörper 20 für die Grundeinstellung des Kipphebels. Dieser ist mit der Exzenterbuchse 5 verbindbar. Der gesamte Kipphebel ist über die Zentralwelle 6 an einem Kipphebelträger 21 mit Durchführungen 22 für die Zentralwelle 6 montiert. Am Kipphebelträger 21 ist eine Ausfräsung 23 vorgesehen, welche die Einstellmöglichkeit des Stellkörpers 6 gewährleistet.

Die in den Fig. 14 - Fig. 16 dargestellte Exzenterbuchse trägt wiederum das Bezugszeichen 5. Die Ausfräsung an der Umfangsfläche der Extenterbuch.se 5 ist mit dem Bezugszeichen 14 versehen. Im Bereich der Mitnehmerfläche der Exzenterbuchse 5 ist eine axiale Aufnahmebohrung 24 für einen Abrollstift 25 vorgesehen. Der Abrollstift 25 besteht vorzugsweise aus einem gehärteten Stahl und ist in einer losen Passung in der Aufnahmebohrung 24 frei drehbar. Die beiden Drehachsen des Kipphebelkörpers sind in der Seitenansicht der Fig. 15 und in der Schnittdarstellung der Fig.16 mit den Be- zugszeichen 10 und 11 angedeutet. Mit dem Bezugszeichen 26 ist wiederum die Bohrung in der Exzenterbuchse 5 bezeichnet, in welche den Anschlagstift 7 (Fig. 13) einge- presst ist.

Fig. 17 und 18 zeigen eine zur Exzenterbuchse gemäss Fig. 14 - Fig. 16 gehörige Variante des Mitnehmerstiftes, der wiederum gesamthaft mit dem Bezugszeichen 3 versehen ist. Der Mitnehmerstift 3 weist eine angeschliffene Fläche 27 auf. Die angeschliffene Fläche 27 rollt beim Umschaltvorgang über den Abrollstift 25 in der Exzenterbuchse 5 (Fig. 14 - 16) ab. Die Krümmung der angeschliffenen Fläche 27 ist dabei derart ausge- bildet, dass der Kontakt zwischen dem Mitnehmerstift 3 und dem Abrollstif 125 stets ein Linienkontakt ist. Dadurch wird die Flächenpressung verringert. Auch wird durch die Ausbildung des Mitnehmerstiftes und die modifizierte Exzenterbuchse mit dem Abrollstift ein Verkanten des Mitnehmerstiftes verhindert. Dies verbessert die Umschalteigenschaften. Die Ausführungsdetails der Kipphebelbestandteile gemäss den Fig. 14 - Fig. 18 erlauben es auch, die Exzenterbuchse 5 selbst aus einem ungehärteten Stahl herzustellen. Es genügt, die miteinander in Kontakt kommenden Bestandteile, den Abrollstift 25 und den Mitnehmerstift 3, zu härten. Der modifizierte Mitnehmerstift 3 weist auch eine Andrehung 28 auf, die zur Aufnahme der Druckfeder dient, die mit leichter Pressung auf die Andrehung 28 geschoben wird. Die Druckfeder ist über eine nicht dargestellte Federkappe fixiert. Somit wird der Mitnehmerstift 3 über die im Presssitz auf der Andrehung 28 sitzende Druckfeder gegen eine Verdrehung gesichert.

Claims

Patentansprüche

1. Kipphebel für die Ventilbetätigung von Verbrennungsmotoren mit zwei Hebelarmen, nämlich einem Kraftarm (Ll) und einem Lastarm (L2), dadurch gekennzeichnet, dass der Kipphebel wenigstens zwei bei Bedarf anwählbare Drehachsen (10, 11) aufweist.

2. Kipphebel gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Drehachsen

(10, 11) vorgesehen sind.

3. Kipphebel gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen (10, 11) an einem oder mehreren Exzentern (5) vorgesehen sind.

4. Kipphebel gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Exzenter (5) in einer Zentralbohrung (8) eines Kipphebelkörpers (1) angeordnet sind.

5. Kipphebel gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen (10, 11) durch einen Schaltmechanismus anwählbar sind.

6. Kipphebel gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltme- chanismus ein hydromechanisch.es Betätigungssystem (12, 3, 14, 15) umfasst.

7. Kipphebel gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrome- chanische Betätigungssystem mit dem Ölkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden ist.

8. Kipphebel gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kipphebel während des Umschaltvorgangs der Drehachsen (10, 11) seine stationäre Lage bezüglich des Motors beibehält.

9. Kipphebel gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er auf einer Zentralachse (6) gelagert ist, welche beim Umschaltvorgang der Drehachsen(10, 11) und während des Betriebs des Kipphebels ihre Position unverändert beibehält.

10. Kipphebel gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Exzenter (5) jeweils mit einem verstellbaren Anschlag (7, 17) ausgestattet sind.

11. Kipphebel gemäss einem der Ansprüche 4 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (5) mit einem Abrollstift (25) versehen ist, der frei drehbar gelagert ist und beim Umschaltvorgang mit wenigstens einem Mitnehmerstift (3) zusammenwirkt, der in einer Bohrung des Kipphebelkörpers (1) federbelastet geführt ist.

12. Kipphebel gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmerstift (3) und der Abrollstift (25) beim Umschaltvorgang im wesentlichen Linienkontakt erleiden.