DE102004056290A1

DE102004056290A1 - Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Grundnockenwelle

Info

Publication number: DE102004056290A1
Application number: DE102004056290A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dengler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-11-22
Filing date: 2004-11-22
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-11-23
Also published as: DE102004056290B4

Abstract

Die Erfindung betrifft den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Grundnockenwelle, auf der axial verschiebbare Nockenträger angeordnet sind. Die Nockenträger werden jeweils von einer Rastvorrichtung gehalten, die in einer Aussparung der Grundnockenwelle angeordnet ist. Zur Versorgung der Rastvorrichtungen mit Schmiermittel sowie zur Be- und Entlüftung sind Ausnehmungen in der Grundnockenwelle ausgebildet, die den Umfangskreis der Primärbohrung der Rastvorrichtungen durchbrechen.

Description

Die Erfindung betrifft den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Grundnockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Zur Verbesserung der thermodynamischen Eigenschaften von Brennkraftmaschinen sind mechanische Vorrichtungen bekannt, die das Arbeitsspiel des Ventiltriebes beeinflussen und beispielsweise eine drehzahlabhängige Veränderung der Öffnungszeiten oder des Hubes der Gaswechselventile ermöglichen.

Aus der Druckschrift DE 10 2004 011 586 ist eine derartige Vorrichtung bekannt, bei der ein Nockenträger drehfest und axial verschiebbar auf einer Grundnockenwelle angeordnet ist.

Der Nockenträger besteht dabei aus einem Metallrohr, auf dem mindestens ein Nocken angeordnet ist, bei dem aus einem gemeinsamen Grundkreis axial versetzt mindestens zwei unterschiedliche Nockenlaufbahnen hervorgehen. Durch das axiale Verschieben des Nockenträgers auf der Grundnockenwelle wird ein Gaswechselventil durch die unterschiedlich geformten Nockenlaufbahnen betätigt, wobei sich die mindestens zwei Nockenlaufbahnen in der Hubkontur und/oder in der Phasenlage unterscheiden können.

Zum axialen Verschieben eines Nockenträgers ist an beiden Seiten des Nockenträgers jeweils ein als Vertiefung ausgebildete Kurvenbahn angeordnet. Die zwei Kurvenbahnen eines Nockenträgers sind dabei zueinander spiegelbildlich ausgebildet, wodurch das axiale Verschieben des Nockenträgers in beide Richtung möglich ist.

Das axiale Verschieben der Nockenträger erfolgt durch radial zur Grundnockenwelle angeordnete Stellglieder, die als elektromagnetische Ventile ausgebildet sind, und die jeweils aus einem Betätigungsstift und aus zwei Elektromagneten bestehen. Die Stellglieder sind fest mit dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine verbunden. Durch die Elektromagneten kann der Betätigungsstift ausgefahren und zurückgezogen werden. Im ausgefahrenen Zustand greift der Betätigungsstift in die die Kurvenbahn bildende Vertiefung, wobei der Nockenträger durch die Drehung der Grundnockenwelle beim Betrieb der Brennkraftmaschine axial verschoben wird.

Damit ein Nockenträger nach dem Verschieben in einer definierten Position verbleibt ist vorgesehen, dass in einer Aussparung der Grundnockenwelle für jeden Nockenträger eine Rastvorrichtung angeordnet ist. Die Rastvorrichtung besteht aus einem Federelement und einem Rastelement, wobei auf der Innenseite der Nockenträger zwei Rastrillen ausgebildet sind, in welche das Rastelement einrasten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 anzugeben, bei dem die Ölversorgung sowie die Be- und Entlüftung der Rastvorrichtung gewährleistet ist. Dabei soll die Grundnockenwelle in ihrer Struktur nicht zu sehr zu geschwächt werden. Zudem sollen die notwendigen Bearbeitungsschritte möglichst einfach auszuführen sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in den Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach die Aussparung in der mindestens einen Grundnockenwelle eine Bohrung zur Aufnahme des Federelementes und des Rastelementes aufweist. Zudem ist in der mindestens einen Grundnockenwelle mindestens eine Ausnehmung ausgebildet, die an der Oberfläche der mindestens einen Grundnockenwelle den Umfangskreis der ersten Bohrung durchbricht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Primärbohrung aus zwei Teilbohrungen zusammengesetzt ist, wobei im Bereich des Federelementes die Primärbohrung einen ersten Durchmesser aufweist und im Bereich des Rastelementes einen zweiten Durchmesser aufweist. Diese zwei Durchmesser aufweisende Primärbohrung kann mittels eines Spezialbohrers in einem Arbeitsgang in die Grundnockenwelle eingebracht werden, so dass gewährleistet ist, dass beide Durchmesser der Primärbohrung die selbe Bohrachse aufweisen. Der erste Durchmesser der Primärbohrung ist dabei kleiner ist als der zweite Durchmesser.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Ausnehmung ebenfalls als Bohrung, als Versorgungsbohrung ausgebildet ist, wobei diese mindestens eine Versorgungsbohrung gegenüber der Primärbohrung einen deutlich kleineren Durchmesser aufweist. Dabei ist die Bohrachse der mindestens einen Versorgungsbohrung axial gegenüber der Bohrachse der Primärbohrung versetzt. Zudem kann die Bohrachse der Versorgungsbohrung gegenüber der Bohrachse der Primärbohrung einen Winkel aufweisen.

Alternativ kann die mindestens eine Ausnehmung als schmale Rampe ausgebildet sein, die in den Umfangskreis der Primärbohrung beispielsweise durch Schleifen eingebracht wird.

In einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei Ausnehmungen vorgesehen sind, die den Umfangskreis der Primärbohrung durchbrechen. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen am Umfangskreis der Primärbohrung gegenüberliegend, so dass insbesondere die Ölversorgung der Rastvorrichtung zuverlässig gewährleistet ist.

In einer letzten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Federelement als Druckfeder ausgebildet ist, und dass das Rastelement als Rastkugel ausgebildet ist.

Durch die erfindungsgemäß ausgestaltete Rastvorrichtung ist die Versorgung des Federelementes und des Rastelements mit Schmieröl sowie die Be- und Entlüftung der Primärbohrung gewährleistet. Gegenüber einer die Grundnockenwelle durchstoßenden Bohrung müssen keine Gradreste entfernt werden. Zudem wird die Struktur der Grundnockenwelle weniger geschwächt.

Im folgenden ist ein erfindungsgemäßer Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine anhand von zwei Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit vier Figuren dargestellt und erläutert.
Es zeigen:
1 die Gesamtansicht eines Nockenträgers samt Stellglieder und Gaswechselventile,
2 die Schnittdarstellung durch eine Grundnockenwelle und durch die Rastvorrichtung mit zwei Versorgungsbohrungen,
3 die Darstellung einer Grundnockenwelle mit der zwei Versorgungsbohrungen aufweisenden Rastvorrichtung,
4 die die Schnittdarstellung durch eine Grundnockenwelle und durch die Rastvorrichtung mit zwei schmalen Rampen,
5 die Darstellung einer Grundnockenwelle mit der zwei schmale Rampen aufweisenden Rastvorrichtung.
Eine vierzylindrige Brennkraftmaschine mit zwei obenliegenden Nockenwellen zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges ist mit einer Vorrichtung zum Verstellen des Hubes und der Öffnungszeiten der einlassseitigen Gaswechselventile ausgestattet. Die Vorrichtung besteht aus vier Nockenträgern, die auf der die einlassseitigen Gaswechselventile betätigenden Grundnockenwelle drehfest und axial verschiebbar angeordnet sind.
1 zeigt eine schematisch Darstellung eines auf der Grundnockenwelle 1 angeordneten Nockenträgers 9 samt den zugehörigen Baugruppen. Die die Drehfestigkeit bei gleichzeitiger axialer Verschiebbarkeit ermöglichende Verbindung zwischen der Grundnockenwelle 1 und dem Nockenträger 9 besteht in einer Verzahnung, die auf der Grundnockenwelle 1 als Außenverzahnung und in dem Nockenträger 9 als Innenverzahnung ausgebildet ist.
Jeder Nockenträger 9 einer Grundnockenwelle 1 ist genau einem Zylinder zugeordnet, wobei jeder Zylinder der Brennkraftmaschine einlassseitig zwei Gaswechselventile 17 aufweist. Entsprechend sind auf jedem Nockenträger 9 zwei Nocken 10 ausgebildet, wobei jeder Nocken 10 ein einlassseitiges Gaswechselventil 17 betätigt. Jeder der zwei Nocken 10 weist jeweils zwei sich unterscheidende Nockenlaufbahnen 11 auf, die axial versetzt aus einem gemeinsamen Grundkreis des Nockens 10 hervorgehen.
Die jeweils zwei Nockenlaufbahnen 11 der zwei Nocken 10 eines Nockenträgers 9 sind in der Form unterschiedlich ausgebildet, dass eine Nockenlaufbahn 11 eine kleine Hubhöhe des Gaswechselventils 17 und die andere Nockenlaufbahn 11 eine große Hubhöhe des Gaswechselventils 17 bewirkt. Die Nockenlaufbahn 11 mit der kleinen Hubhöhe wird bei Motordrehzahlen unterhalb 2500 Umdrehungen pro Minute geschaltet, die Nockenlaufbahn 11 mit der großen Hubhöhe wird bei Motordrehzahlen oberhalb 2500 Umdrehungen pro Minute geschaltet.
Zum axialen Verschieben ist an beiden Seiten der Nockenträger 9 jeweils ein als separates Bauteil ausgebildeter Schneckentrieb 12 angeordnet, in dem als Vertiefung eine Kurvenbahn 13 ausgebildet ist. Die Kurvenbahnen 13 der zwei Schneckentriebe 12 eines Nockenträgers 9 sind dabei zueinander spiegelbildlich ausgebildet, wodurch das axiale Verschieben des Nockenträgers 9 auf der Grundnockenwelle 1 in beide Richtungen möglich ist.
Das axiale Verschieben der Nockenträger 9 erfolgt durch radial zur Grundnockenwelle 1 angeordnete Stellglieder 14, die als elektromagnetische Ventile ausgebildet sind, und die jeweils aus einem Betätigungsstift 15 und aus zwei Elektromagneten bestehen. Die Stellglieder 14 sind fest mit dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine verbunden. Durch die Elektromagneten kann der Betätigungsstift 15 ausgefahren und zurückgezogen werden. Im ausgefahrenen Zustand greift der Betätigungsstift 15 in die die Kurvenbahn 13 bildende Vertiefung eines Schneckentriebes 12, wobei der Nockenträger 9 durch die Drehung der Grundnockenwelle 1 beim Betrieb der Brennkraftmaschine axial verschoben wird.
Um das ungewollte Verschieben der Nockenträger 9 beim Betrieb der Brennkraftmaschine zu vermeiden ist vorgesehen, dass in der Grundnockenwelle 1 für jeden Nockenträger 9 eine Rastvorrichtung vorgesehen ist. Die Rastvorrichtung besteht aus einer Druckfeder 3 und einer Rastkugel 4, die in einer als Primärbohrung 4 ausgebildeten Aussparung der Grundnockenwelle 1 angeordnet sind.
Aufgrund der hohen erforderlichen Genauigkeit, mit der die Nockenträger 9 zu den Gaswechselventilen 17 positioniert werden müssen, muss auch die Rastkugel 2 möglichst spielfrei in die Primärbohrung 4 der Grundnockenwelle 1 passen, wobei sehr geringe Fertigungstoleranzen notwendig sind.
Durch die Druckfeder 3 wird die Rastkugel 2 in der Grundnockenwelle 1 radial nach außen verschoben. In jedem Nockenträgern 9 sind zwei Rastnuten 16 ausgebildet, in welche die Rastkugel 2 einrasten. Die Rückstellkraft der Druckfeder 3 und die Form der Rastnuten 16 sind dabei so bemessen, dass die Nockenstücke 9 nicht selbstständig durch Motorschwingungen oder durch Beschleunigungen des Kraftfahrzeugs verschoben werden können, dass aber bei Eingriff der Betätigungsstifte 15 der Stellglieder 14 in die Kurvenbahn 13 des Schneckentriebs 12 das Verschieben des Nockenträgers 9 widerstandsarm erfolgt.
Beim Verschieben eines Nockenträgers 9 wird durch den Nockenträger 9 die Rastkugel 2 gegen die Druckfeder 3 gedrückt, wobei es in der als Sackbohrung ausgeführten Primärbohrung 4 in der Grundnockenwelle 1 zu Reibung zwischen der Rastkugel 2 und der Druckfeder 3 und der Wandung der Primärbohrung 4 kommen kann.
Um ein Auftreten von Verschleiß durch Reibung oder sogar ein Klemmen der Rastkugel 2 in der Primärbohrung 4 zu vermeiden muss die Versorgung des Rastelementes mit Schmiermittel sichergestellt werden. Die geringen Toleranzen zwischen der Primärbohrung 4 und der Rastkugel 2 würden keine ausreichende Zuführung von Schmiermittel erlauben. Zudem muss die Be- und Entlüftung der Primärbohrung 4 gewährleistet sein, um ein Hängen der Rastkugel 2 aufgrund eines Unterdruck in der Primärbohrung 4 zu vermeiden.
2 zeigt ein Schnittbild durch die Grundnockenwelle 1, in der die als Sackbohrung ausgebildete Primärbohrung 4 eingebracht ist. Der unterer Teil der Primärbohrung 4 bildet die Federkammer 6, in der die Druckfeder 3 angeordnet ist. Der obere Teil der Primärbohrung 4 bildet die Kugelkammer 5, in der die Rastkugel 2 angeordnet ist. Während die Rastkugel 2 einen Durchmesser von 3.8 Millimetern aufweist, weist die Primärbohrung 4 einen Durchmesser von lediglich 3,84 Millimetern auf. Die Schmierölversorgung sowie die Be- und Entlüftung der Primärbohrung 4 erfolgt über zwei Versorgungsbohrungen 7, die auf dem Umfangskreis der Primärbohrung 4 radial in die Grundnockenwelle 1 eingebracht sind. Die Versorgungsbohrungen 7 sind so tief in die Grundnockenwelle 1 eingebracht, dass sie durch die Rastkugel 2 nicht verschlossen werden können, wenn diese durch den Nockenträger nach Innen verschoben wird.
Zur Verbesserung der Gleiteigenschaften kann zwischen der Druckfeder 3 und der Rastkugel 2 ein nicht dargestellter Federschuh angeordnet sein, der auf einer Seite eine Aufnahme für die Druckfeder 3 aufweist, und der auf der anderen Seite eine kugelsegmentförmige Schale aufweist, auf der sich die Rastkugel 2 widerstandsarm drehen kann. Ebenso kann auf dem Boden der Primärbohrung 4 ein weiterer Federschuh mit einer Aufnahme für die Druckfeder 3 angeordnet sein, der ein Wandern der Druckfeder 3 vermeidet.
3 zeigt eine Draufsicht auf die in der Grundnockenwelle 1 abgeordnete Rastvorrichtung mit den Versorgungsbohrungen 7. Die Versorgungsbohrungen 7 durchbrechen bzw. schneiden den Umfangskreis der Primärbohrung 4. Die Bohrachsen der Versorgungsbohrungen 7 sind axial gegenüber der Bohrachse der Primärbohrung 4 versetzt. Dabei sind in der Grundnockenwelle 4 die Bohrachsen der Versorgungsbohrungen 7 parallel zu der Bohrachse der Primärbohrung 4 ausgebildet.
Alternativ können die Bohrachsen der Versorgungsbohrung 7 gegenüber der Bohrachse der Primärbohrung 4 einen Winkel aufweisen, wobei sich die Bohrachsen der Versorgungsbohrungen 7 und die Bohrachse der Primärbohrung 4 vorzugsweise innerhalb der Grundnockenwelle 1 schneiden.
4 zeigt eine alternative Ausführung Ausnehmung, die in der Form zweier schmaler Rampen 8 ausgebildet ist, die ausgehend vom Umfangskreis der Primärbohrung 4 in das Material der Grundnockenwelle 1 hinein ausgearbeitet sind. Auch die schmale Rampen 8 sind so tief in die Grundnockenwelle 1 eingebracht, dass die Primärbohrung 4 durch die Rastkugel 2 nicht verschlossen werden kann, wenn die Rastkugel 2 durch den Nockenträger nach Innen verschoben werden.
Die Primärbohrung 4 wurde hierbei von einem zweistufigen Bohrer in die Grundnockenwelle 1 eingebracht, so dass die Primärbohrung 4 im Bereich der Federkammer 6 einen kleineren Durchmesser aufweist als im Bereich der Kugelkammer 5. Der Vorteil liegt dabei in einer verbesserten Führung der Druckfeder 3, so dass die Verwendung eines Federschuhs auf dem Boden der Primärbohrung 4 nicht notwendig ist.
5 zeigt eine Draufsicht auf die in der Grundnockenwelle 1 abgeordnete Rastvorrichtung mit den zwei schmalen Rampen 8. Die zwei schmalen Rampen 8 können beispielsweise in einem Arbeitsschritt durch Schleifen in die Grundnockenwelle 1 eingebracht werden.
Die Versorgungsbohrungen 7 und schmalen Rampen 8, die in den Figuren axial zur Grundnockenwelle 1 dargestellt sind, können ebenso gegenüber der Primärbohrung 4 um 90 Grad verdreht in die Grundnockenwelle 1 eingebracht werden, wodurch noch eine Verbesserung in der Genauigkeit der axialen Positionierung der Rastkugel 2 erreicht werden kann.
Unabhängig von der Form der Aussparung der Grundnockenwelle 1 kann die Rastkugel 2 in der Primärbohrung 4 fixiert werden, indem beispielsweise durch plastische Verformung Material vom Umfangskreis der Primärbohrung 4 der Grundnockenwelle 1 in Richtung der Primärbohrung 4 verdrängt wird.
Zusätzlich zu den Versorgungsbohrungen und den schmalen Rampen kann auf den Boden der Primärbohrung eine die Grundnockenwelle durchstoßende Entlüftungsbohrung eingebracht werden, die vorzugsweise einen gegenüber der Primärbohrungen kleinen Durchmesser aufweist.
Durch die erfindungsgemäß ausgestaltete Rastvorrichtung ist die Versorgung der Druckfeder und der Rastkugel mit Schmieröl sowie die Be- und Entlüftung der Primärbohrung zuverlässig gewährleistet. Die Rastvorrichtungen können kostengünstig in die Grundnockenwelle eingebracht werden. Zudem wird die Grundnockenwelle durch die Rastvorrichtung in ihrer Struktur wenig geschwächt.
Bezugszeichenliste: P 5384

Claims

Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Grundnockenwelle (1 ), auf der mindestens ein Nockenträger (9) drehfest und axial verschiebbar angeordnet ist, wobei der mindestens eine Nockenträger (9) mittels einer Rastvorrichtung fixiert wird, die in der mindestens einen Grundnockenwelle (1) in einer Aussparung angeordnet ist, und die aus einem Federelement und einem Rastelement besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung in der mindestens einen Grundnockenwelle (1) eine Primärbohrung (4) zur Aufnahme des Federelementes und des Rastelementes aufweist, und dass in der mindestens einen Grundnockenwelle (1) mindestens eine Ausnehmung ausgebildet ist, die an der Oberfläche der mindestens einen Grundnockenwelle (1) den Umfangskreis der Primärbohrung (4) durchbricht.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärbohrung (4) im Bereich des Federelementes einen ersten Durchmesser aufweist, dass die Primärbohrung (4) im Bereich des Rastelementes einen zweiten Durchmesser aufweist, dass der erste Durchmesser der Primärbohrung (4) und der zweite Durchmesser der Primärbohrung (4) die selbe Bohrachse aufweisen, und dass der erste Durchmesser kleiner ist als der zweite Durchmesser.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung als Versorgungsbohrung (7) ausgebildet ist, dass die mindestens eine Versorgungsbohrung (7) einen kleineren Durchmesser als die Primärbohrung (4) aufweist, und dass die Bohrachse der mindestens einen Versorgungsbohrung (7) axial gegenüber der Bohrachse der Primärbohrung (4) versetzt ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrachse der Versorgungsbohrung (7) gegenüber der Bohrachse der Primärbohrung (4) einen Winkel aufweist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung als schmale Rampe (8) ausgebildet ist, die an der Oberfläche der mindestens einen Grundnockenwelle (1) den Umfangskreis der Primärbohrung (4) schneidet.
Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ausnehmungen vorgesehen sind, die an der Oberfläche der mindestens einen Grundnockenwelle (1) den Umfangskreis der Primärbohrung (4) schneiden.
Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement eine Druckfeder (3) ist.
Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastelement eine Rastkugel (2) ist.