DE102006047293A1

DE102006047293A1 - Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit verschiebbaren Raumnocken

Info

Publication number: DE102006047293A1
Application number: DE200610047293
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Nendel (FH); Jens Dipl.-Ing. Schäfer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaefer Jens De
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-04-10
Also published as: WO2008043599A1

Abstract

Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen mit zumindest einem Einlass- oder einem Auslassnocken, der als Raumnocken (2) ausgebildet sowie axial- und drehfest auf einer axial verschiebbaren in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gelagerten Nockenwelle (1) angeordnet ist, mit zumindest einem im Zylinderkopf geführten Einlass- (13) oder Auslassgaswechselventil, das von einem Hebelelement (10) betätigbar ist, wobei das Hebelelement (10) mittels zwei Stützelementen (11) am Zylinderkopf derart gelagert ist, dass das Hebelelement (10) um eine Achse parallel zur Nockenwellenachse schwenkbar ist, und mit zumindest einem Wälzkörper, der mit dem Raumnocken (2) in Rollverbindung steht und auf einem Bolzen (5) geführt ist, der mit dem Hebelelement (10) in Wirkverbindung steht, wobei der Grundkörper des Wälzkörpers oder der Wälzkörper auf dem Bolzen (5) und der Bolzen (5) in einem Rollenträger (6) exakt geführt sind und der Rollenträger (6) um eine Achse quer zur Nockenwellenachse schwenkbar am Hebelelement (10) gelagert ist.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit verschiebbaren Raumnocken Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen mit zumindest einem Einlass- oder einem Auslassnocken, der als Raumnocken ausgebildet und entweder axial- und drehfest auf einer axial verschiebbaren Nockenwelle angeordnet ist oder axial verschiebbar und drehfest auf einer ortsfest gelagerten Nockenwelle geführt ist, mit zumindest einem in einem Zylinderkopf geführten Einlass- oder Auslassgaswechselventil, das von einem Hebelelement betätigbar ist, wobei das Hebelelement mittels zumindest eines Stützelements am Zylinderkopf derart gelagert ist, dass das Hebelelement um eine Achse etwa parallel zur Nockenwellenachse schwenkbar ist, und mit zumindest einem Kontaktkörper, der mit dem Raumnocken und mit dem Hebelelement in Wirkverbindung steht.
Hintergrund der Erfindung
Ein derartiger Ventiltrieb ist aus der WO-95/20720 bekannt. Sowohl bei dem gattungsbildenden Ventiltrieb als auch bei der vorliegenden Erfindung wird unter Raumnocken ein Nocken verstanden, dessen Grundkreis mit konstantem radia len Abstand um die Achse der Nockenwelle geführt ist, während der Nockenerhebungsbereich in axialer Richtung der Nockenwelle vom Grundkreis bzw. annähernd vom Grundkreis ausgehend radial nach Art eines Konussegments ansteigt, bis die Nockenkontur die maximale radiale Erstreckung aufweist. Durch axiale Verschiebung des Nockens, insbesondere bei der Drehbewegung der Nockenwelle, und durch in axialer Richtung feststehend geführtem Hebelelement verändert sich die radiale Bewegung des Hebelelements um die Achse der Nockenwelle, so dass das oder die Gaswechselventile gar keine, eine geringe bzw. eine maximale Öffnungshubbewegung vollführen. Bei dem bekannten Dokument ist der Kontaktkörper als Wälzkörper ausgebildet. Um dem Wälzkörper, der eine gewisse Erstreckung in Richtung der Nockenwellenachse aufweist, eine Schwenkbewegung zwischen dem Grundkreis und der Schrägen der Nockenerhebungskurve des Raumnockens bei nicht schwenkbarem Hebelelement zu ermöglichen, wird bei dem gattungsbildenden Ventiltrieb der Grundkörper des Wälzkörpers auf einem Bolzen schwenkbar ausgeführt. Dies bedeutet, dass der Grundkörpers des Wälzkörpers in seiner Mitte eine im Wesentlichen runde Ausnehmung aufweist, die dem Bolzen angepasst ist, während die Öffnungen nach beiden Seiten in Schlitze auslaufen. Dies führt dazu, dass der Grundkörper des Wälzkörpers sich nur auf einen ganz schmalen Kreisringumfang auf dem Bolzen abstützen kann, was zu erhöhtem Verschleiß am Grundkörper und am Bolzen sowie zu erhöhter Punktbelastung führt.
Des Weiteren kann der Wälzkörper, der eine gewisse axiale Erstreckung aufweist, nicht gleichmäßig auf dem Nockenerhebungsbereich ablaufen, weil an dem einen Rand des Wälzkörpers der Umfang im Nockenerhebungsbereich kleiner oder größer ist als am anderen Rand, so dass ein hoher Verschleiß am Wälzkörper und am Raumnocken zu befürchten ist.
Es ist noch ein ähnlicher Ventiltrieb mit Raumnocken aus der JP-2003 003 811 A bekannt. Bei diesem Ventiltrieb ist die Welle der Nockenwelle axial feststehend gelagert, wobei die Raumnocken einzeln über eine Gabel/Nut-Verbindung axial verschoben werden. Es ist zu befürchten, dass die Gabel/Nut-Verbindung, bei den auf die Nocken wirkenden Axialkräften, insbesondere dann, wenn der Wälzkörper eine gewisse Axialerstreckung in Richtung zur No ckenwellen aufweist, verschleißanfällig ist und zu Problemen führt. Möglicherweise aus diesem Grund ist der Wälzkörper bei diesem Dokument schmal ausgeführt und an seinem Umfang ballig nach Art eines Kugelrings ausgeführt. Dies führt dazu, dass die Flächenpressung zwischen den schmalen Wälzkörpern und den Nockenoberflächen sehr hoch ist, so dass ebenfalls ein hoher Verschleiß zu befürchten ist. Weiterhin wird der Wälzkörper schräg belastet. Dieser Ventiltrieb kann daher ebenfalls nur für geringe Kräfte im Ventiltrieb, d.h. für kleine Brennkraftmaschinen, zur Anwendung kommen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den gattungsbildenden Ventiltrieb so zu verbessern, dass die beschriebenen Nachteile behoben werden und ein stabiler Ventiltrieb mit geringem Verschleiß zwischen den Bauteilen und geringen Bauteilbelastungen gegeben ist. Er soll natürlich auch günstig in der Herstellung und im Betrieb sein.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der Kontaktkörper. um eine Achse quer zur Nockenwellenachse, insbesondere am Hebelelement, schwenkbar gelagert ist. Der Kontaktkörper kann als Gleitkörper oder auch als Wälzkörper ausgebildet sein. Insbesondere, wenn er als Gleitkörper ausgebildet ist, sollte er eine hinreichende Ersteckung in Achsrichtung der Nockenwelle aufweisen um eine gute Führung und geringe Flächenpressung zu erzielen. Dabei spielt der Unterschied der Gleitgeschwindigkeit vom einen zum anderen Ende des Gleitkörpers in Axialrichtung eine untergeordnete Rolle, weil der Gleitkörper insgesamt auf eine Gleitbewegung ausgelegt ist. Durch die Schwenklagerung des Kontaktkörpers am Hebelelement kann der Gleit- oder Wälzkörper sich der Neigung des Mantels des Raumnockens anpassen, ohne dass dadurch Probleme bei der Abstützung des Gleit- oder Wälzkörpers entstehen.
Es ist auch möglich, das Hebelement über ein Stützelement am Zylinderkopf schwenkbar zu führen und das Hebelelement, z. B. im Bereich eines oder zweier Gaswechselventile, in Axialrichtung der Nockenwelle und gegen Verschwenken um das Stützelement zu führen
Es ist weiterhin möglich, den Gleitkörper oder die Führung des Wälzkörpers starr am Hebelement zu befestigen, das Hebelement über ein Stützelement am Zylinderkopf schwenkbar und in Axialrichtung der Nockenwelle zu führen In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Kontaktkörper als Rollenkörper ausgebildet ist und zumindest eine Stützrolle aufweist, die auf einem Bolzen radial, vorzugsweise auch axial, exakt geführt ist. Die Stützrolle kann auf einem Grundkörper oder direkt auf dem Bolzen mittels einer Gleitlagerung oder mittels zumindest eines Wälzlagers geführt sein. Das oder die Wälzlager können auch so ausgelegt sein, dass sie auch Axialkräfte aufnehmen können. Ist dies nicht oder in nicht ausreichendem Maße der Fall oder wird eine Gleitlagerung gewählt, empfiehlt sich eine Axialführung mittels Anlaufscheiben.
Vorzugsweise werden zumindest zwei nebeneinander angeordnete Stützrollen vorgesehen. Dadurch wird erreicht, dass jede Stützrolle eine andere Umlaufdrehzahl entlang der Nockenerhebung des Raumnockens vollführen kann, ohne dass in ihrem Randbereich nennenswerte Rutschbewegungen erfolgen. Je nach Anzahl der Stützrollen nimmt dieses Problem weiter ab. Bei zwei Stützrollen ist die Problematik soweit reduziert, dass ein vernachlässigbarer Verschleiß anzunehmen ist, wobei trotzdem eine hinreichende Breite des Kontaktkörpers mit geringer Flächenpressung erzielt wird.
In vorteilhafter Weise weist der Rollenträger zwischen den Stützrollen zumindest einen Zwischensteg auf, der eine Passöffnung für den Bolzen hat, so dass dieser zumindest eine Zwischenlagerung erhält.
Sowohl zwischen zwei Stützrollen als auch zwischen Stützrollen und dem Zwischensteg können Anlaufscheiben eingebaut sein, wobei die Relativgeschwindigkeit zwischen zwei Stützrollen gering ist und damit eine geringe Reibleistung vorliegt.
Eine günstige Lagerung des Kontaktkörpers am Hebelelement ergibt sich dann, wenn der Kontaktkörper zumindest eine Lagerstütze aufweist, die in zumindest einer Lagerschale des Hebelelements geführt ist. Da die Schwenkbewegung des Bolzens zur Achse der Nockenwelle auf die Schräge der Nockenerhebung begrenzt ist, kann die Lagerstütze der Form nach den halben Umfang eines Bolzens einnehmen, während die Lagerschale ebenfalls als Lagerteilring ausgebildet sein kann. Es bietet sich dabei eine Gleitlagerung an, wobei es jedoch auch möglich ist, eine Wälzlagerung vorzusehen.
Wichtig ist, dass der Kontaktkörper am Hebelelement auch axial zu seiner Schwenkachse festgelegt ist, da über den Gleit- oder Wälzkörper bzw. dessen Widerstand entlang der Erhebungskurve Axialkräfte auf die Schwenkachse geleitet werden.
Eine günstige Ausgestaltung des Kontaktkörpers und seiner Lagerung ergibt sich dann, wenn an den Seitenwänden, vorzugsweise in Verlängerung des einen Zwischensteges bei einem Rollenträger, zwei Lagerstützen angeformt sind. Der Kontaktkörper kann dabei in einer Ausnehmung des Hebelelements angeordnet sein und die Lagerstützen können sich an halb offenen Lagerschalen des Hebelelements abstützen.
Das Hebelelement ist in vorteilhafter Weise rahmenförmig ausgeführt und steht in den Eckbereichen mit zwei Stützelementen und zwei Einlass- oder zwei Auslassgaswechselventilen in Wirkverbindung. Durch die rahmenförmige Ausbildung des Hebelelements können natürlich auch ein oder drei Einlass- oder Auslassgaswechselventile betätigt werden, wobei ein Einlass- oder Auslassventil zwischen den Eckbereichen angeordnet werden kann.
Die Stützelemente können als Spielausgleichselemente, vorzugsweise als allgemein bekannte hydraulische Spielausgleichselemente, ausgeführt werden, um eine geringe Wartung des Ventiltriebs zu erreichen.
Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass die beschriebenen Bauteile von dem Kontaktkörper über die Stützrollen, den Bolzen, den Rollenträger und das Hebelelement in Leichtbauweise ausgeführt werden sollen, um die Beschleunigungskräfte am Ventiltrieb gering zu halten. Dies kann zum einen da durch erfolgen, dass die Bauteile, zumindest der Rollenträger und das Hebelelement, aus Leichmetall hergestellt werden oder dass die Bauteile in Skelettbauweise, d.h. mit Aushöhlungen oder Bohrungen versehen sind, um das Gewicht zu reduzieren und trotzdem hohe Stabilität zu erreichen. Je nach Durchmesser kann auch der Bolzen hohl ausgebildet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine skizzierte Teilansicht eines Ventiltriebs mit verschiebbarem Raumnocken,
2 eine perspektivische Ansicht eines Ventiltriebs gemäß der Erfindung,
3 eine Seitenansicht eines Ventiltriebs mit zwei Betätigungseinrichtungen für je zwei Ventile, in einem Zylinderkopf eingebaut und
4 eine Explosionszeichnung der Einzelteile des erfindungsgemäßen Ventiltriebs.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In 1 bis 4 ist, soweit im Einzelnen dargestellt, mit 1 eine Nockenwelle bezeichnet, auf der zumindest ein, vorzugsweise mehrere mit 2 bezeichnete Raumnocken angeordnet sind, die dreh- und vorzugsweise axialfest auf der Nockenwelle angeordnet sind. Die Nockenwelle 1 ist, wie in 1 durch die mit 3 bezeichneten Pfeile erläutert ist, axial verschiebbar, so dass mit 4 bezeichnete Stützrollen parallel nebeneinander an den Raumnocken 2 ablaufen können.
Es sind, wie den 2 bis 4 zu entnehmen ist, zwei Stützrollen 4 nebeneinander angeordnet, die vorzugsweise Außenringe und Wälzkörper aufweisen, wobei Innenringe der Stützrollen 4 oder die Stützrollen 4 mit ihren Wälzkörpern direkt auf einem mit 5 bezeichneten Bolzen angeordnet sind. Der Bolzen 5 ist an einem Rollenträger 6 gelagert und auch axial festgelegt. Der Rollenträger 6 ist rahmenförmig ausgeführt und weist in der Mitte einen Zwischensteg 7 auf, der eine zum Bolzen 5 passende Bohrung aufweist, so dass der Bolzen im Zwischensteg 7 zwischengelagert ist. Etwa in Verlängerung des Zwischensteges 7 sind am Rollenträger 6 Lagerstützen 8 befestigt, vorzugsweise einstückig mit dem Rollenträger hergestellt, die jeweils zumindest eine Bolzenhälfte bilden. Die Lagerstützen 8 sind in mit 9 bezeichneten Lagerschalen geführt, die an einem mit 10 bezeichneten Hebelelement angeordnet sind. Der Rollenträger 6 ist weiterhin, wie am besten der Explosionszeichnung 4 zu entnehmen ist, auch axial im Hebelelement 10 festgelegt. Das Hebelelement 10 ist rahmenförmig ausgeführt und stützt sich an Stützelementen 11 ab, wobei die durch die Köpfe der Stützelemente 11 führende Achse parallel zur Nockenwellenachse ausgerichtet ist. Die Stützelemente 11, die vorzugsweise als Hydrostößel ausgeführt sind, weisen Kugelköpfe auf, die, nicht dargestellt, in Ausnehmungen an den Ecken des Hebelelements 10 eingesetzt sind, so dass die Stützelemente 11 eine exakte Führung des Hebelelements 10 sicherstellen. An den gegenüberliegenden Ecken stützt das Hebelelement 10 sich auf zwei Ventilschäften 12 von zwei Einlassgaswechselventilen 13 ab.
Dreht sich die Nockenwelle und rollen die Stützrollen 4 auf dem Umfang des Raumnockens ab, so schwenkt der Rollenträger 6 entsprechend der Schräge der Raumnocken 2 um die durch die Lagerstützen 8 und Lagerschalen 9 gehende Achse im Hebelelement 10. Gleichzeitig bewegen sich die Stützrollen 4 und der Rollenträger 6 radial zur Nockenwellenachse entsprechend der Nockenerhebung an der jeweiligen Stelle, so dass das Hebelelement 10 um die Stützelemente bzw. um die Enden der Stützelemente schwenkt und die Gaswechselventile öffnet und schließt. Die Hubhöhe entspricht der jeweiligen Lage des Raumnockens 2 bzw. der Axialstellung der Nockenwelle 1.
Wie in 2 dargestellt, beschreiben die äußeren Ränder der Stützrollen Ablaufspuren auf dem jeweiligen Raumnocken, die mit 14 und 14a bezeichnet sind. Wie ohne weiteres erkennbar, ist die Länge der Ablaufspur 14 im Bereich der Erhebung der Raumnocken 2 größer als die Ablaufspur 14a, so dass die der Ablaufspur 14 zugeordnete Stützrolle 4 einen längeren Weg beschreibt und damit schneller dreht als die der Ablaufspur 14a zugeordnete Stützrolle 4. In 4 ist zusätzlich noch eine Schnittfläche 15 im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine zu sehen, wobei Führungsbuchsen 16 eingesetzt sind, in denen die Ventilschäfte 12 der Einlassgaswechselventil 13 gleiten können.

1: Nockenwelle
2: Raumnocken
3: Pfeile
4: Stützrollen
5: Bolzen
6: Rollenträger
7: Zwischensteg
8: Lagerstützen
9: Lagerschalen
10: Hebelelemente
11: Stützelemente
12: Ventilschäfte
13: Einlassgaswechselventile
14: Ablaufspur
14a: Ablaufspur
15: Schnittflächen
16: Führungsbuchsen

Claims

Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen mit zumindest einem Einlass- oder einem Auslassnocken, der als Raumnocken (2) ausgebildet und entweder axial- und drehfest auf einer axial verschiebbaren Nockenwelle (1) angeordnet ist oder axial verschiebbar und drehfest auf einer ortsfest gelagerten Nockenwelle geführt ist, mit zumindest einem in einem Zylinderkopf geführten Einlass- (13) oder Auslassgaswechselventil, das von einem Hebelelement (10) betätigbar ist, wobei das Hebelelement (10) mittels zumindest eines Stützelements (11) am Zylinderkopf derart gelagert ist, dass das Hebelelement (10) um eine Achse etwa parallel zur Nockenwellenachse schwenkbar ist, und mit zumindest einem Kontaktkörper, der mit dem Raumnocken (2) und mit dem Hebelelement (10) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper um eine Achse quer zur Nockenwellenachse, insbesondere am Hebelelement (10), schwenkbar gelagert ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper als Rollenträger (6) ausgebildet ist und zumindest eine Stützrolle (4) aufweist, die auf einem Bolzen (5) radial, vorzugsweise auch axial, geführt ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützrolle (4) auf einem Grundkörper oder direkt auf dem Bolzen (5), vorzugsweise mittels zumindest eines Wälzlagers, geführt ist.
Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Stützrolle(n) (4) mittels Anlaufscheiben axial geführt sind.
Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Stützrollen (4) vorgesehen sind.
Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Stützrollen (4) zumindest eine Anlaufscheibe eingebaut ist.
Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rollenträger (6) zwischen Stützrollen (4) zumindest einen Zwischensteg (7) aufweist, der eine Passöffnung für den Bolzen (5) hat.
Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper zumindest eine Lagerstütze aufweist, die in zumindest einer Lagerschale des Hebelelements (10) geführt ist.
Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktkörper am Hebelelement (10) axial zu seiner Schwenkachse festgelegt ist.
Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an Seitenwänden des Kontaktkörpers, vorzugsweise in Verlängerung des zumindest einen Zwischensteges (7) am Rollenträger (6), zwei Lagerstützen (8) angeformt sind, die mit zwei Lagerschalen (9) am Hebelelement (10) korrespondieren.
Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelelement (10) rahmenförmig ausgeführt ist und an zwei benachbarten Eckbereichen mit zwei Stützelementen (11) und an den anderen Eckbereichen mit zwei Einlass- (13) oder zwei Auslassgaswechselventilen in Wirkverbindung steht.
Ventiltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Stützelement(e) (11) als Spielausgleichselement(e), vorzugsweise als hydraulische(s) Spielausgleichselement(e), ausgeführt sind.