DE102007051739A1

DE102007051739A1 - Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102007051739A1
Application number: DE200710051739
Authority: DE
Inventors: Harald Elendt; Andreas Nendel
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2009-05-07
Also published as: WO2009056427A1

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Ventiltrieb (1) einer Brennkraftmaschine, mit einer eine Trägerwelle (3) und ein darauf drehfest und axialverschiebbar angeordnetes Nockenstück (4) umfassenden Nockenwelle (2), welches Nockenstück zumindest eine Nockengruppe (5, 6) unmittelbar benachbarter Nocken (7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c) unterschiedlicher Erhebungen zur variablen Betätigung eines Gaswechselventils und eine Axialkulisse (13) mit zwei sich kreuzenden Kulissenbahnen (14, 15) aufweist, und mit einem in die Axialkulisse radial zur Nockenwelle einkoppelbaren Betätigungsstift (16) zum Verschieben des Nockenstücks in Richtung beider Kulissenbahnen. Dabei ist zumindest ein weiterer Betätigungsstift (17) vorgesehen, derart, dass die Anzahl der in die Axialkulisse (13) einkoppelbaren Betätigungsstifte n >= 2 beträgt und dass die Anzahl der Nocken einer Nockengruppe n + 1 beträgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einer eine Trägerwelle und ein darauf drehfest und axialverschiebbar angeordnetes Nockenstück umfassenden Nockenwelle, welches Nockenstück zumindest eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken unterschiedlicher Erhebungen zur variablen Betätigung eines Gaswechselventils und eine Axialkulisse mit zwei sich kreuzenden Kulissenbahnen aufweist, und mit einem in die Axialkulisse radial zur Nockenwelle einkoppelbaren Betätigungsstift zum Verschieben des Nockenstücks in Richtung beider Kulissenbahnen.
Hintergrund der Erfindung
Ein derartiger Ventiltrieb ist aus der als gattungsbildend betrachteten DE 101 48 177 A1 vorbekannt. Dort sind Nockenstücke mit ein oder zwei darauf angeordneten Nockengruppen und der mittig oder endseitig verlaufenden Axialkulisse mit den sich kreuzenden Kulissenbahnen vorgeschlagen. Pro Nockengruppe sind zwei Nocken vorgesehen, und zur Umschaltung der wirksamen Nockenerhebung am Gaswechselventil, d. h. zum Verschieben des Nockenstücks vom ersten auf den zweiten Nocken und zurück, ist lediglich ein mit der Axialkulisse zusammenwirkender und das Nockenstück in die beiden entgegen gesetzten Verschieberichtungen der beiden sich kreuzenden Kulissenbahnen verlagernder Betätigungsstift erforderlich.
Eine im Vergleich hierzu hinsichtlich der Bauteileanzahl und folglich der Herstellkosten deutlich aufwändigere Lösung ergibt sich beispielsweise aus der DE 10 2004 002 290 A1 . Der dort vorgeschlagene, auf demselben mechanischen Grundprinzip basierende und ebenfalls zweistufig ausgebildete Ventiltrieb weist jedoch pro Nockenstück zwei räumlich voneinander getrennte Kulissenbahnen auf, so dass dementsprechend zwei Betätigungsstifte pro Nockenstück erforderlich sind. Bezogen auf die Brennkraftmaschine bedeutet dies, dass gegenüber der in der eingangs zitierten Druckschrift vorgeschlagenen Lösung insgesamt die doppelte Anzahl von Betätigungsstiften für den Ventiltrieb erforderlich ist.
Im Zuge weiter zunehmender Anforderungen an die Flexibilität des Ladungswechsels einer Brennkraftmaschine besteht mitunter jedoch der Wunsch, dessen Ventiltrieb nicht nur mit einer zweistufigen Variabilität gemäß der genannten Druckschriften, sondern mit einer darüber hinausgehenden Variabilität zu versehen. Diese Anforderung kann mit dem eingangs zitierten, gattungsgemäßen Ventiltrieb nicht erfüllt werden, da der mit der Axialkulisse zusammenwirkende Betätigungsstift eine Verschiebung des Nockenstücks zwischen lediglich zwei Nockenpositionen zulässt. Eine darüber hinausgehende Variabilität eines Ventiltriebs mit verschiebbaren Nockenstücken ist zwar aus der EP 07 984 51 B1 vorbekannt. Zur Darstellung einer dreistufigen Variabilität sind in diesem Fall jedoch vier Betätigungsstifte erforderlich, die mit zwei räumlich voneinander getrennten, d. h. sich nicht kreuzenden Kulissenbahnen zusammenwirken.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb der eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln so fortzubilden, dass der Ventiltrieb ein zwischen mehr als zwei Nocken verschiebbares Nockenstück aufweist und bei geringer Bauteileanzahl gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Fortbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach ist zumindest ein weiterer Betätigungsstift vorgesehen derart, dass die Anzahl der in die Axialkulisse einkoppelbaren Betätigungsstifte n ≥ 2 beträgt und dass die Anzahl der Nocken einer Nockengruppe n + 1 beträgt. Mit anderen Worten sollen zwei oder mehr Betätigungsstifte mit derselben Axialkulisse zusammenwirken, wobei die Anzahl der Nocken einer Nockengruppe immer um eins höher als die Anzahl der Betätigungsstifte ist.
Ein bevorzugter Kompromiss zwischen einem hohen Grad an Ventiltriebsvariabilität und einem, unter Berücksichtigung der hierfür entsprechend erforderlichen Anzahl der Nocken, geringen axialen Bauraum der Nockengruppe und somit des Nockenstücks ist für den Fall gegeben, dass die Anzahl der Betätigungsstifte zwei und damit die Anzahl der Nocken pro Nockengruppe drei beträgt.
Im Falle einer mehrventiligen Brennkraftmaschine, d. h. bei mindestens zwei Einlass- und/oder Auslassventilen pro Zylinder der Brennkraftmaschine, ist es außerdem vorgesehen, dass das Nockenstück zwei Nockengruppen zur Betätigung gleichartiger Gaswechselventile aufweist. Unter gleichartigen Gaswechselventilen ist selbstverständlich zu verstehen, dass es sich entweder um die Einlassventile oder um die Auslassventile des zugeordneten Zylinders handelt.
Weiterhin sollen dabei die Axialkulisse an einem Endabschnitt des Nockenstücks und die Nockengruppen beidseits eines zylindrischen Abschnitts des Nockenstücks verlaufen, wobei das Nockenstück an dem zylindrischen Abschnitt in einer ortsfest in der Brennkraftmaschine angeordneten Nockenwellenlagerstelle abgestützt ist. Eine derartige Ausbildung des Nockenstücks entspricht der bevorzugten Zylinderkopfarchitektur moderner Brennkraftmaschinen, bei denen die Nockenwelle nicht in Lagerstellen zwischen den Zylindern, sondern zwischen den Einlass- bzw. Auslassventilen eines Zylinders abgestützt ist.
Außerdem kann es dabei zweckmäßig sein, wenn das Nockenstück am zylindrischen Abschnitt mittels einer in der Nockenwellenlagerstelle drehfest und axialverschiebbar angeordneten Lagerbuchse in der Nockenwellenlagerstelle abgestützt ist, wobei die Lagerbreite der Lagerbuchse deutlich größer als die Lagerbreite der Nockenwellenlagerstelle ist. Die mit dem Nockenstück mitverschiebbare Lagerbuchse gewährleistet auch bei drei oder mehr Nocken pro Nockengruppe und/oder bei großen Nockenbreiten eine ausreichend tragfähige Abstützung des Nockenstücks in der Nockenwellenlagerstelle, deren Breite bei gegebenem Ventilabstand der Einlass- oder Auslassventile eines Zylinders unter Berücksichtigung des axialen Freigangs der zur Nockenwellenlagerstelle benachbarten Nocken vergleichsweise schmal zu dimensionieren ist.
In diesem Zusammenhang kann es zudem besonders vorteilhaft sein, wenn der der Nockenwellenlagerstelle nächstliegende Nocken einer der Nockengruppen einen Hüllkreisdurchmesser aufweist, der kleiner als der die Lagerbuchse aufnehmende Lagerdurchmesser der Nockenwellenlagerstelle ist, so dass dieser Nocken bei Verschiebung des Nockenstücks unter zumindest teilweiser axialer Überlappung mit der Nockenwellenlagerstelle in diese eintaucht.
Schließlich soll es sich bei dem Hüllkreis des Nockens um dessen Grundkreis handeln. Ein solcher Nocken ist dem Fachmann auch als hubfreier Grundkreisnocken zur vollständigen Stilllegung des Gaswechselventils bekannt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In der einzigen Figur ist ein für das Verständnis der Erfindung wesentlicher Ausschnitt eines variablen Ventiltriebs 1 einer Brennkraftmaschine offenbart. Dargestellt sind eine Nockenwelle 2 mit einer außenlängsverzahnten Trägerwelle 3 und ein darauf, mittels einer entsprechenden Innenlängsverzahnung, drehfest und axial verschiebbar angeordnetes Nockenstück 4. Dieses weist zwei Nockengruppen 5 und 6 mit jeweils drei unmittelbar benachbart angeordneten Nocken 7a, 7b, 7c bzw. 8a, 8b, 8c unterschiedlicher Erhebungen zur variablen Betätigung von hier nicht dargestellten Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine auf. Unter den unterschiedlichen Erhebungen der jeweils einen gemeinsamen Grundkreisradius aufweisenden Nocken 7a, 7b, 7c sowie 8a, 8b, 8c sind entweder unterschiedliche Beträge des jeweiligen und exemplarisch am Nocken 8b dargestellten Nockenhubs 9 und/oder unterschiedliche Ventilsteuerzeiten der Nocken 7a, 7b, 7c sowie 8a, 8b, 8c zu verstehen. Die Übertragung der in Abhängigkeit der Axialposition des Nockenstücks 4 momentan wirksamen Erhebung der Nocken 7a, 7b, 7c sowie 8a, 8b, 8c auf die Gaswechselventile erfolgt mittels hier nur angedeuteter Nockenfolger 10 und 11, die bekanntermaßen als in der Brennkraftmaschine schwenkbar gelagerte Hebel oder auch als längs geführte Stößel jeweils mit einem Nockenrollen- oder einem Nockengleitabgriff ausgebildet sein können.
Zur Verschiebung des Nockenstücks 4 zwecks Umschaltung der in der Figur momentan wirksamen Nocken 7b und 8b auf jeweils einen der dazu benachbarten Nocken 7a oder 7c bzw. 8a oder 8c weist das Nockenstück 4 eine an einem Endabschnitt 12 verlaufende Axialkulisse 13 mit zwei sich kreuzenden Kulissenbahnen 14 und 15 auf. Diese sind hier durch gepunktet dargestellte Mittel punktsbahnen symbolisiert, auf denen in die Axialkulisse 13 radial zur Nockenwelle 2 eingekoppelte Betätigungsstifte 16 und 17 relativ zu einem Grund 18 der Axialkulisse 13 beim Verschieben des Nockenstücks 4 verfahren. Der Abstand 19 der zylindrischen Betätigungsstifte 16, 17 und folglich deren Mittelpunktsbahnen am Anfang und am Ende des Verschiebevorgangs sind mit dem Mittenabstand der Nocken 7a, 7b, 7c sowie 8a, 8b, 8c im wesentlichen identisch.
Nachfolgend ist das Zusammenspiel der beiden Betätigungsstifte 16, 17 mit der Axialkulisse 13 beim Verschieben des Nockenstücks 4 während der gemeinsamen Grundkreisphase der Nocken 7a, 7b, 7c sowie 8a, 8b, 8c im Detail erläutert. Ausgangsposition sei der dargestellte Zustand, bei dem sich die Betätigungsstifte 16, 17 in zurückgezogenem Zustand außer Eingriff von der Axialkulisse 13 befinden. Ein Verschieben des Nockenstücks 4 nach links, d. h. ein Umschalten der momentan wirksamen Nocken 7b und 8b auf die Nocken 7c und 8c, wird durch Einfahren des Betätigungsstifts 16 in die Axialkulisse 13 eingeleitet. Das rotierende und sich dabei gleichzeitig axial auf der Trägerwelle 3 verlagernde Nockenstück 4 stützt sich zunächst mit einer ersten Beschleunigungsflanke 20a und anschließend, nach Durchlaufen eines Übergangsbereichs 21 infolge axialer Massenträgheit des Nockenstücks 4, mit einer ersten Verzögerungsflanke 21a der Axialkulisse 13 am Betätigungsstift 16 ab. Ein Zurückverschieben des Nockenstücks 4 nach rechts, d. h. zurück in die dargestellte Ausgangsposition, erfolgt durch erneutes Einkoppeln des Betätigungsstifts 16 in die Axialkulisse 13, wobei sich nunmehr das Nockenstück 4 an einer zweiten Beschleunigungsflanke 20b und anschließend, nach Durchlaufen des Übergangsbereichs 21 mit entsprechendem Anlagewechsel, an einer zweiten Verzögerungsflanke 21b der Axialkulisse 13 am Betätigungsstift 16 abstützt.
Wie es aus der eingangs zitierten DE 101 48 177 A1 vorbekannt ist, ist die Axialkulisse 13 offen ausgebildet in der Weise, dass die Kulissenbahnen 14, 15 einen gemeinsamen Grund 18 aufweisen, der axial lediglich durch die Beschleunigungsflanken 20a und 20b sowie die Verzögerungsflanken 21a und 21b begrenzt ist.
Ein Verschieben des Nockenstücks 4 aus der dargestellten Ausgangsposition nach rechts, d. h. ein Umschalten der momentan wirksamen Nocken 7b und 8b auf die Nocken 7a und 8a, erfolgt auf analoge Weise, wobei in diesem Fall der Betätigungsstift 17 in die Axialkulisse 13 eingekoppelt wird und sich das Nockenstück 4 über die zweite Beschleunigungsflanke 20b und die zweite Verzögerungsflanke 21b am Betätigungsstift 17 abstützt. Ein Zurückverschieben des Nockenstücks 4 in die dargestellte Ausgangsposition erfolgt durch erneutes Einkoppeln des Betätigungsstifts 17 in die Axialkulisse 13, woraufhin sich das Nockenstück 4 mit der ersten Beschleunigungsflanke 20a und der ersten Verzögerungsflanke 21a am Betätigungsstift 17 abstützend nach links verlagert.
Das nach Abschluss eines Verschiebevorgangs des Nockenstücks 4 erforderliche Rückstellen der Betätigungsstifte 16, 17 in die dargestellte ausgekoppelte Position kann entweder aktiv durch die Betätigungsstifte 16, 17 selbst oder durch eine geeignete und hier nicht näher dargestellte Radialprofilierung der Axialkulisse 13 bewirkt werden. Bei einer derartigen Radialprofilierung, wie sie beispielsweise ebenfalls aus der eingangs zitierten DE 101 48 177 A1 vorbekannt ist, sind die Kulissenbahnen 14, 15 in Drehrichtung des Nockenstücks 4 vor den Beschleunigungsflanken 20a und 20b sowie hinter den Verzögerungsflanken 21a und 21b mit radial abfallenden Einlauframpen bzw. radial ansteigenden Auslauframpen versehen. Letztere sorgen für ein aktives Zurückschieben der Betätigungsstifte 16, 17 in die dargestellte ausgekoppelte Position.
Ein zwischen den beiden Nockengruppen 5, 6 verlaufender zylindrischer Abschnitt 22 dient zur Abstützung des Nockenstücks 4 in einer ortsfest in der Brennkraftmaschine angeordneten Nockenwellenlagerstelle 23. Aufgrund des erforderlichen axialen Freigangs der Nockengruppen 5, 6 zur Nockenwellenlagerstelle 23 weist diese im Vergleich zu konventionell starr ausgebildeten Ventiltrieben eine schmale und für die Ausbildung eines ausreichend tragfähigen Schmierfilms in einem hydrodynamischen Gleitlager ggf. unzureichende Lagerbreite 24 auf. Um die Nockenwelle 2 dennoch ausreichend stabil und dauerfest in der Nockenwellenlagerstelle 23 abstützen zu können, ist das Nockenstück 4 am zylindrischen Abschnitt 22 mittels einer Lagerbuchse 25 in der Nockenwellenlagerstelle 23 abgestützt, wobei die Lagerbuchse 25 drehfest, jedoch mit dem Nockenstück 4 axial verschiebbar in der Nockenwellenlagerstelle 23 angeordnet ist. Im Falle einer hydrodynamischen Gleitlagerung zwischen der Lagerbuchse 25 und dem zylindrischen Abschnitt 22 kann sich ein ausreichend tragfähiger Schmierfilm dadurch ausbilden, dass die Lagerbreite 26 der Lagerbuchse 25 deutlich größer als die Lagerbreite 24 der Nockenwellenlagerstelle 23 ist.
Eine weitere, die kompakte Bauweise des dargestellten Ventiltriebs 1 kennzeichnende Eigenschaft ist, dass der der Nockenwellenlagerstelle 23 nächstliegende Nocken 8a der Nockengruppe 6 bei Verschiebung des Nockenstücks 4 nach links unter teilweiser axialer Überlappung mit der Nockenwellenlagerstelle 23 in diese eintaucht. Der Nocken 8a weist hierzu einen Hüllkreisdurchmesser 27 auf, der kleiner als der die Lagerbuchse 25 aufnehmende Lagerdurchmesser 28 der Nockenwellenlagerstelle 23 ist. Unter dem Hüllkreis eines Nockens ist bekanntlich der durch dessen Nockenspitze beschriebene Kreis zu verstehen, dessen Radius folglich die Summe aus dem Grundkreisradius und dem Nockenhub 9 ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich sowohl bei dem Nocken 8a als auch bei dem Nocken 7a um hubfreie Grundkreisnocken zur vollständigen Stilllegung der Gaswechselventile, so dass der Hüllkreis 27 jeweils mit deren Grundkreis identisch ist.

1: Ventiltrieb
2: Nockenwelle
3: Trägerwelle
4: Nockenstück
5: Nockengruppe
6: Nockengruppe
7a, b, c: Nocken
8a, b, c: Nocken
9: Nockenhub
10: Nockenfolger
11: Nockenfolger
12: Endabschnitt des Nockenstücks
13: Axialkulisse
14: Kulissenbahn
15: Kulissenbahn
16: Betätigungsstift
17: Betätigungsstift
18: Grund der Axialkulisse
19: Abstand
20a, b: Beschleunigungsflanke
21a, b: Verzögerungsflanke
22: zylindrischer Abschnitt des Nockenstücks
23: Nockenwellenlagerstelle
24: Lagerbreite der Nockenwellenlagerstelle
25: Lagerbuchse
26: Lagerbreite der Lagerbuchse
27: Hüllkreisdurchmesser
28: Lagerdurchmesser der Nockenwellenlagerstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10148177 A1 [0002, 0017, 0019]
- DE 102004002290 A1 [0003]
- EP 0798451 B1 [0004]

Claims

Ventiltrieb (1) einer Brennkraftmaschine, mit einer eine Trägerwelle (3) und ein darauf drehfest und axialverschiebbar angeordnetes Nockenstück (4) umfassenden Nockenwelle (2), welches Nockenstück (4) zumindest eine Nockengruppe (5, 6) unmittelbar benachbarter Nocken (7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c) unterschiedlicher Erhebungen zur variablen Betätigung eines Gaswechselventils und eine Axialkulisse (13) mit zwei sich kreuzenden Kulissenbahnen (14, 15) aufweist, und mit einem in die Axialkulisse (13) radial zur Nockenwelle (2) einkoppelbaren Betätigungsstift (16) zum Verschieben des Nockenstücks (4) in Richtung beider Kulissenbahnen (14, 15), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Betätigungsstift (17) vorgesehen ist derart, dass die Anzahl der in die Axialkulisse (13) einkoppelbaren Betätigungsstifte n ≥ 2 beträgt und dass die Anzahl der Nocken (7a, 7b, 7c, 8a, 8b, 8c) einer Nockengruppe (5, 6) n + 1 beträgt.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass n = 2 beträgt.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenstück (4) zwei Nockengruppen (5, 6) zur Betätigung gleichartiger Gaswechselventile aufweist.
Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkulisse (13) an einem Endabschnitt (12) des Nockenstücks (4) und die Nockengruppen (5, 6) beidseits eines zylindrischen Abschnitts (22) des Nockenstücks (4) verlaufen, an welchem zylindrischen Abschnitt (22) das Nockenstück (4) in einer ortsfest in der Brennkraftmaschine angeordneten Nockenwellenlagerstelle (23) abgestützt ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenstück (4) am zylindrischen Abschnitt (22) mittels einer in der Nockenwellenlagerstelle (23) drehfest und axialverschiebbar angeordneten Lagerbuchse (25) in der Nockenwellenlagerstelle (23) abgestützt ist, wobei die Lagerbreite (26) der Lagerbuchse (25) deutlich größer als die Lagerbreite (24) der Nockenwellenlagerstelle (23) ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der der Nockenwellenlagerstelle (23) nächstliegende Nocken (8a) einer der Nockengruppen (5, 6) einen Hüllkreisdurchmesser (27) aufweist, der kleiner als der die Lagerbuchse (25) aufnehmende Lagerdurchmesser (28) der Nockenwellenlagerstelle (23) ist, wobei dieser Nocken (8a) bei Verschiebung des Nockenstücks (4) unter zumindest teilweiser axialer Überlappung mit der Nockenwellenlagerstelle (23) in diese eintaucht.
Ventiltrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Hüllkreis des Nockens (8a) um dessen Grundkreis handelt.