WO2014086351A1

WO2014086351A1 - Ventiltrieb eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: WO2014086351A1
Application number: PCT/DE2013/200275
Authority: WO
Inventors: Markus Popp; Harald Elendt; Jan PFANNENMÜLLER
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2013-11-07
Publication date: 2014-06-12
Also published as: US9334764B2; CN104884750A; CN104884750B; DE102012222113A1; US20150308302A1

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Schiebenocken-Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors. Ein auf einer Trägerwelle (2) verschiebbar angeordnetes Nockenstück (3) umfasst eine Nockengruppe (4, 5) mit unterschiedlichen Nockenerhebungen und eine Axialnut mit zwei Nutbahnen (8, 9), die in Umfangsrichtung der Axialnut vollständig hintereinander angeordnet sind. Ein in die Axialnut einfahrbarer Aktuatorstift (10) verschiebt das Nockenstück in Richtung beider Nutbahnen, die jeweils mit einer sich radial erhebenden Rampe (17, 18) zum Ausfahren des Aktuatorstifts aus der Axialnut enden. Dabei soll die Radialerhebung der Ausfahrrampen wesentlich kleiner als die Nutgrundtiefe der Axialnut zwischen den Ausfahrrampen sein.

Description

Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, mit einer Nockenwelle, die eine Trägerwelle und ein darauf drehfest und zwischen zwei Axial- Positionen verschiebbar angeordnetes Nockenstück umfasst, das zumindest eine Nockengruppe mit unterschiedlichen Nockenerhebungen und eine Axialnut mit zwei sich axial entgegengesetzt erhebenden Nutbahnen aufweist, deren Axialerhebungen jeweils dem Abstand zwischen beiden Axialpositionen entsprechen und die in Umfangsrichtung der Axialnut vollständig hintereinander angeordnet sind, und mit einem in die Axialnut einfahrbaren Aktuatorstift zum Verschieben des Nockenstücks in Richtung beider Nutbahnen. Zum Ausfahren des Aktuatorstifts aus der Axialnut enden die Nutbahnen jeweils mit einer sich radial erhebenden Rampe. Hintergrund der Erfindung

Sogenannte Schiebenocken-Ventiltriebe sind in zahlreichen konstruktiven Ausführungen bekannt. Zur Verschiebung des Nockenstücks greift der axial stillstehende Aktuatorstift in die rotierende Axialnut ein, deren Axialerhebung das No- ckenstück zwingt, sich auf der Trägerwelle zu verschieben. Dabei wird die Betätigung der Gaswechselventile zwischen zwei benachbarten Nockenerhebungen umgeschaltet. Die Verschiebung des Nockenstücks zwischen den Axialpositionen erfolgt innerhalb des Winkelbereichs der Nockenwelle, in dem alle Nockenerhebungen hubfrei sind, d.h. rechtzeitig innerhalb der gemeinsamen Grundkreispha- se aller Nocken. Das für diesen konstanten Winkelbereich zur Verfügung stehende Zeitintervall nimmt mit zunehmender Motordrehzahl ab, und korrespondierend hierzu muss die Einfahrgeschwindigkeit des Aktuatorstifts in die Axialnut auch bei hohen Umschaltdrehzahlen ausreichend hoch sein, um das Nockenstück fehl- schaltungsfrei zu verschieben.

Ein Ventiltrieb der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2009 009 080 A1 bekannt. Die beiden Nutbahnen verlaufen dort umfänglich nicht nebeneinander, sondern vollständig hintereinander. Diese umfängliche Reihenschaltung der Nut- bahnen ist zwar im Hinblick auf den axialen Bauraumbedarf des Nockenstücks vorteilhaft, erfordert jedoch einen besonders schnellen Aktuator. Denn in diesem Fall sind zwei Einfahrvorgänge des Aktuatorstifts in die Axialnut und zwei Verschiebevorgänge des Nockenstücks in dem Winkelbereich der gemeinsamen Grundkreisphase unterzubringen. Der für das Einfahren des Aktuatorstifts in die Axialnut verfügbare Winkelbereich ist dementsprechend klein.

Aufgabe der Erfindung Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die Anforderungen an die Aktuator- geschwindigkeit trotz der umfänglichen Reihenschaltung der Nutbahnen möglichst moderat sind. Zusammenfassung der Erfindung

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich dadurch, dass die Radialerhebung der Ausfahrrampen wesentlich kleiner als die Nutgrundtiefe der Axialnut zwischen den Ausfahrrampen ist. Anders als im eingangs zitierten Stand der Technik wird also die Ausfahrrampe nicht vollständig auf die Höhe des sogenannten Hochkreises zurückgeführt, in dem die Axialnut„eingeschnitten" ist. Vielmehr ist die Höhe der Ausfahrrampe gerade so groß, dass der Aktuatorstift ausreichend schnell und weit angehoben wird, um nach dem Verschieben des Nockenstücks die Axialnut selbstständig zu verlassen. Durch diese relativ geringe Höhe der Ausfahrrampe ist bei gleicher Rampensteigung auch deren Umfangswinkel wesentlich kleiner. Dementsprechend wird der für das Einfahren des Aktuatorstifts in die Axialnut verfügbare Umfangswinkel größer, und das für das Einfahren des Aktuatorstifts benötigte Zeitintervall kann zugunsten eines weniger anspruchsvollen Aktuator- designs ebenfalls größer werden.

Diesbezüglich soll der Aktuatorstift Teil eines elektromagnetischen Aktuators sein, der den Aktuatorstift mittels Elektromagnetkraft und entgegen einer Rückstellfederkraft in die Axialnut einfährt, wobei der Aktuator mit einem Axialanschlag ver- sehen ist, der zwischen den Ausfahrrampen den Aktuatorstift in einer zum Nutgrund radial beabstandeten Einfahrposition hält. Bei diesem relativ einfachen Aktuatordesign kann es vorkommen, dass der Magnetanker nach dem Abschalten der Bestromung trotz der Rückstellfederkraft am Axialanschlag verbleibt. Ursache hierfür ist die Remanenz, die jedoch durch das Auffahren des Aktuatorstifts auf die erfindungsgemäße Ausfahrrampe überwunden wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich auf der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein erfindungsgemäßer Ventiltrieb erläutert ist. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen: Figur 1 die Axialnut mit darin eingefahrenem Aktuatorstift des erfindungsgemäßen

Ventiltriebs in teilweisem Längsschnitt;

Figur 2 die Axialnut gemäß Figur 1 in perspektivischer Ansicht; Figur 3 die Axialnut gemäß den Figuren 1 und 2 im Querschnitt;

Figur 4 eine bekannte Axialnut im Querschnitt;

Figur 5 einen Ausschnitt eines an sich bekannten Ventiltriebs in Seitenansicht. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung sei ausgehend von Figur 5 erläutert, die einen hubvariablen Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors zeigt. Das grundlegende Funktionsprinzip dieses an sich bekannten Ventiltriebs lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass eine konventionell starr ausgebildete Nockenwelle durch eine Nockenwelle 1 mit einer außenverzahnten Trägerwelle 2 und darauf mittels Innenverzahnung drehfest und längsverschiebbar angeordneten Nockenstücken 3 ersetzt ist. Jedes Nockenstück weist zwei Gruppen axial unmittelbar benachbarter Nocken 4 und 5 auf, deren unterschiedliche Erhebungen mittels Nockenfolger, hier mittels Rollenschlepphebel 6 selektiv abgegriffen und auf Gaswechselventile 7 übertragen werden.

Die zur betriebspunktabhängigen Aktivierung des jeweiligen Nockens 4 oder 5 erforderliche Verschiebung des Nockenstücks 3 auf der Trägerwelle 2 erfolgt über zwei an beiden Enden des Nockenstücks spiegelsymmetrisch verlaufende Axialnutbahnen 8 und 9, die sich entsprechend der Verschieberichtung in ihrer Orien- tierung unterscheiden und in die, je nach momentaner Axialposition des Nockenstücks, jeweils ein Aktuatorstift 10 eines elektromagnetischen Aktuators (nicht dargestellt) eingefahren wird. Zur Stabilisierung des Nockenstücks in den beiden Axialpositionen dient eine Rastiervorrichtung, die (hier nicht erkennbar) im Inneren der Trägerwelle verläuft und in das Innere des Nockenstücks einrastet.

Die Figuren 1 und 2 zeigen einen erfindungsgemäßen Axialnutring 1 1 vor dessen Montage auf ein zugehöriges gebautes Nockenstück (nicht dargestellt) und einen elektromagnetischen Aktuator 12, dessen Aktuatorstift 10 in die Axialnut eingefahren ist. Anders als in Figur 5 verlaufen die beiden Nutbahnen 8 und 9 am Umfang des Nockenstücks nicht nebeneinander, sondern in Reihenschaltung vollständig hintereinander. Die Axialerhebung jeder Nutbahn 8, 9 ist so groß wie der Abstand zwischen zwei Axialpositionen des Nockenstücks, d.h. im Falle des Ventiltriebs gemäß Figur 5 so groß wie der Mittenabstand der beiden Nocken 4 und 5. Bei Bestromung des Aktuators 12 wird der Aktuatorstift 10 von einem Magnetanker 13 betätigt und gegen die Kraft einer Rückstellfeder 14 in die Axialnut eingefahren, bis der Magnetanker an einem inneren Axialanschlag 15 anliegt. In dieser vollständigen Einfahrposition ist der Aktuatorstift radial etwa 0,3mm zum Nutgrund 16 beabstandet. Das Ausfahren des Aktuatorstifts aus der in der eingezeichneten Pfeilrichtung drehenden Axialnut wird durch zwei Rampen 17 und 18 initiiert, die sich am Ende jeder Nutbahn 8, 9 vom Nutgrund ausgehend radial lediglich auf ca. 0,8mm erheben (siehe Figur 3). Der Aktuatorstift trifft nach dem Verschiebevorgang des Nockenstücks 3 auf die jeweilige Ausfahrrampe 17 oder 18 auf und hebt den Magnetanker des dann unbestromten Aktuators um 0,8mnn abzgl. 0,3mnn = 0,5mnn vom restmagnetisierten Axialanschlag an und verlässt die Axialnut infolge der Rückstellfederkraft. Figur 3 zeigt die einzelnen Winkelbereiche der erfindungsgemäßen Axialnut. Referenz sind die in Figur 4 dargestellten Winkelbereiche einer bekannten Axialnut. Die Drehrichtung der Axialnuten ist in Figur 3 eingezeichnet.

Im Winkelbereich zwischen 283° und 75° ist die Axialnut axialhubfrei, da in diesem Bereich die Nockenerhebungen wirksam sind. Der Verschiebebereich S1 der ersten Nutbahn 8 erstreckt sich zwischen 75° und 144,5°, und der Verschiebebereich S2 der zweiten Nutbahn 9 erstreckt sich zwischen 213,5 ° und 283°. Bei der bekannten Axialnut gemäß Figur 4 schließt sich an den ersten Verschiebebereich ein erster Ausfahrbereich A1 zwischen 144,5° und 169° an. Die hier den Aktuatorstift 10 aus der Axialnut ausfahrende Rampe 17 erhebt sich radial um die gesamte Nutgrundtiefe, d.h. vom Nutgrund 16 ausgehend um 4,8mm bis an den Hochkreis 19 des Axialnutrings 1 1 , so dass der daran angrenzende Einfahrbereich E2 der zweiten Nutbahn 9 erst bei 169° beginnen kann. Aufgrund der mit 0,8mm (gegenüber 4,8mm) Radialerhebung wesentlich kleineren und bezüglich des Umfangswinkels mit hier ca. 35° auch wesentlich kürzeren Ausfahrrampen 17, 18 der erfindungsgemäßen Axialnut überlappen sich der Ausfahrbereich A1 der ersten Nutbahn 8 und der Einfahrbereich E2 der zweiten Nutbahn 9. In diesem Fall beginnt der Einfahrbereich der zweiten Nutbahn bereits bei 144,5° (dort wird der Aktuatorstift nicht mehr vom Hochkreis am Einfahren in die Axialnut gehindert) und ist somit um 24,5° länger (169° abzgl. 144,5°) als bei der bekannten Axialnut. Folglich kann die Einfahrgeschwindigkeit des Aktuators 12 in Abhängigkeit der maximalen Umschaltdrehzahl des Nockenstücks 3 um ein diesen 24,5° entsprechendes Zeitintervall verlangsamt werden.

Für den Ausfahrbereich A2 der zweiten Nutbahn 9/Einfahrbereich E1 der ersten Nut- bahn 8 gilt qualitativ dasselbe. Der sich in Figur 4 zwischen 283° und 0° erstreckende Ausfahrbereich der zweiten Nutbahn und der sich zwischen 0° und 75° erstreckende Einfahrbereich der ersten Nutbahn verschmelzen erfindungsgemäß zu einem gemeinsamen Einfahr- und Ausfahrbereich A2/E1 zwischen 283° und 75°. Diese Win- kelbereiche sind jedoch von den Nockenerhebungen dominiert und vergleichsweise groß, so dass die zuvor für den Bereich der ersten Ausfahrrampe 17 erläuterten Zahlenwerte für die erforderliche Aktuatorgeschwindigkeit maßgeblich sind.

Liste der Bezugszeichen

1 Nockenwelle

2 Trägerwelle

3 Nockenstück

4 Nocken

5 Nocken

6 Nockenfolger / Nockenrolle

7 Gaswechselventil

8 Nutbahn

9 Nutbahn

10 Aktuatorstift

1 1 Axialnutring

12 Aktuator

13 Magnetanker

14 Rückstellfeder

15 Axialanschlag

16 Nutgrund

17 Ausfahrrampe

18 Ausfahrrampe

19 Hochkreis

Claims

Patentansprüche

Ventiltneb eines Verbrennungsmotors, mit einer Nockenwelle (1 ), die eine Trägerwelle (2) und ein darauf drehfest und zwischen zwei Axialpositionen verschiebbar angeordnetes Nockenstück (3) umfasst, das zumindest eine Nockengruppe (4, 5) mit unterschiedlichen Nockenerhebungen und eine Axialnut mit zwei sich axial entgegengesetzt erhebenden Nutbahnen (8, 9) aufweist, deren Axialerhebungen jeweils dem Abstand zwischen beiden Axialpositionen entsprechen und die in Umfangsrichtung der Axialnut vollständig hintereinander angeordnet sind, und mit einem in die Axialnut einfahrbaren Aktuatorstift (10) zum Verschieben des Nockenstücks (3) in Richtung beider Nutbahnen (8, 9), wobei die Nutbahnen (8, 9) jeweils mit einer sich radial erhebenden Rampe (17, 18) zum Ausfahren des Aktuatorstifts (10) aus der Axialnut enden, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialerhebung der Ausfahrrampen (17, 18) wesentlich kleiner als die Nutgrundtiefe der Axialnut zwischen den Ausfahrrampen (17, 18) ist.

Ventiltrieb nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuatorstift (10) Teil eines elektromagnetischen Aktuators (12) ist, der den Aktuatorstift (10) mittels Elektromagnetkraft und entgegen einer Rückstellfederkraft in die Axialnut einfährt, wobei der Aktuator (12) mit einem Axialanschlag (15) versehen ist, der zwischen den Ausfahrrampen (17, 18) den Aktuatorstift (10) in einer zum Nutgrund (16) radial beabstandeten Einfahrposition hält.