DE102011085705A1

DE102011085705A1 - Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011085705A1
Application number: DE201110085705
Authority: DE
Inventors: Michael Fleischer; Claudia Zielinski; Michael Bogner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens eine Grundnockenwelle (1), auf welcher mindestens ein Nockenträger (7) drehfest und axial verschiebbar angeordnet ist. Dabei weist der mindestens eine Nockenträger (7) mindestens einen Nocken (5) zur Betätigung eines je zugehörigen Gaswechselventils auf, welcher in zumindest zwei axial nebeneinanderliegende Nockenabschnitte (8, 9) aufgeteilt ist, die bei gleichem Grundkreisdurchmesser mit unterschiedlichen Nockenerhebungen versehen sind. Ferner ist der mindestens eine Nockenträger (7) durch einen zugehörigen Aktuator (10) über Stellmittel relativ zur Grundnockenwelle (1) zwischen unterschiedlichen axialen Positionen verschiebbar, in welchen jeweils das je zugehörige Gaswechselventil über je einen zugeordneten der zumindest zwei Nockenabschnitte (8, 9) ansteuerbar ist. Um nun den Aktuator (10) hinsichtlich der Bauraumverhältnisse möglichst günstig zu platzieren und eine Verschiebung des Nockenträgers (7) auf einfache Art und Weise vornehmen zu können, umfassen die Stellmittel zumindest ein dem mindestens einen Nockenträger (7) zugeordnetes, stangenartiges Schubelement (11), welches innerhalb der Grundnockenwelle (1) axial verschiebbar verläuft und starr mit dem mindestens einen Nockenträger (7) verbunden ist. Der zugehörige Aktuator (10) ist dabei im endseitigen Bereich der Grundnockenwelle (1) angeordnet und steht mit dem zumindest einen Schubelement (11) derartig in Wirkverbindung, dass eine Stellbewegung des Aktuators (10) in eine Relativverschiebung des zumindest einen Schubelements (11) zur Grundnockenwelle (1) und damit in eine Verschiebung des mindestens einen Nockenträger (7) zwischen den axialen Positionen umsetzbar ist. Schließlich erzeugt der zugehörige Aktuator (10) die Stellbewegung rein mechanisch in Abhängigkeit einer Drehzahl der Grundnockenwelle (1).

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens eine Grundnockenwelle, auf welcher mindestens ein Nockenträger drehfest und axial verschiebbar angeordnet ist, wobei der mindestens eine Nockenträger mindestens einen Nocken zur Betätigung eines je zugehörigen Gaswechselventils aufweist, welcher in zumindest zwei axial nebeneinander liegende Nockenabschnitte aufgeteilt ist, die bei gleichem Grundkreisdurchmesser mit unterschiedlichen Nockenerhebungen versehen sind, wobei der mindestens eine Nockenträger durch einen zugehörigen Aktuator über Stellmittel relativ zur Grundnockenwelle zwischen unterschiedlichen axialen Positionen verschiebbar ist, in welchen jeweils das je zugehörige Gaswechselventil über je einen zugeordneten der zumindest zwei Nockenabschnitte ansteuerbar ist.
Stand der Technik
Ventiltriebe werden unter anderem als variable Ventiltriebe ausgeführt, bei welchen in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der jeweiligen Brennkraftmaschine eine Variation der Öffnungszeiten und/oder der Hübe der Gaswechselventile möglich ist. Eine geläufige Ausgestaltung eines derartigen variablen Ventiltriebes ist dabei die Ausführung als sogenanntes Schiebenockensystem, bei welchem drehfest auf einer Grundnockenwelle vorgesehene Nockenträger gezielt axial hinsichtlich der Grundnockenwelle verschoben werden können, so dass unterschiedliche, axial nebeneinanderliegende Nockenabschnitte, welche auf den Nockenträgern aufgebracht sind, in Überdeckung mit einem jeweils zugehörigen Nockenfolger kommen, der dann eine der jeweiligen Nockenerhebung entsprechende Betätigung des je zugehörigen Gaswechselventils vornimmt.
Aus der DE 10 2004 011 586 A1 geht ein derartiger Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine hervor, bei welchem auf einer Grundnockenwelle mehrere drehfest angeordnete und axial verschiebbare Nockenträger vorgesehen sind, die hierbei jeweils zwei Nocken zur Betätigung je zugehöriger Gaswechselventile aufweisen. Jeder der Nocken ist zudem in zwei axial nebeneinanderliegende Nockenabschnitte aufgeteilt, wobei diese Nockenabschnitte dabei den gleichen Grundkreisdurchmesser aufweisen, auf welchem unterschiedliche Nockenerhebungen der Nockenabschnitte aufbauen. Zur gezielten axialen Verschiebung des jeweiligen Nockenträgers zur Grundnockenwelle ist jeder Nockenträger an seinen axialen Enden mit Kurvenscheiben versehen, welche auf ihren radialen Außenseiten jeweils mit einer spiralartig verlaufenden Kurvenbahn ausgestattet sind. Mit jeder Kurvenbahn kann dann gezielt ein Stellstift eines zugehörigen, elektrischen Aktuators in Kontakt gebracht werden, wobei der jeweilige Stellstift und die Kurvenbahn dabei nach Art eines Schneckentriebes fungieren, indem durch Laufen des Stellstifts in der Kurvenbahn entsprechend deren spiralförmigen Verlaufs in axialer Richtung die Relativverschiebung des jeweiligen Nockenträgers hervorgerufen wird. Dabei wird durch Bestromen eines Aktuators an dem einen axialen Ende des jeweiligen Nockenträgers eine Verschiebung in die eine axiale Richtung und damit ein Anlaufen eines der beiden zugehörigen Nockenabschnitte an einem jeweiligen Nockenfolger in Form eines Schlepphebels bewirkt, während eine Bestromung eines am entgegengesetzten axialen Ende des jeweiligen Nockenträgers liegenden Aktuators eine Rückbewegung in die Ausgangsstellung und in der Folge eine Betätigung der zugehörigen Gaswechselventile über den jeweils anderen Nockenabschnitt hervorruft.
Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, bei welchem eine axiale Verschiebung eines jeweiligen Nockenträgers relativ zu einer Grundnockenwelle über einen hinsichtlich der Platzverhältnisse möglichst günstig platzierten Aktuator vorgenommen werden kann. Zudem sollte eine Steuerung dieser Relativverschiebung auf möglichst einfache Art und Weise darstellbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden, abhängigen Ansprüche geben jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Gemäß der Erfindung umfasst ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mindestens eine Grundnockenwelle, auf welcher mindestens ein Nockenträger drehfest und axial verschiebbar angeordnet ist. Dieser mindestens eine Nockenträger verfügt dabei über mindestens einen Nocken zur Betätigung eines je zugehörigen Gaswechselventils, wobei dieser mindestens eine Nocken zumindest in zwei axial nebeneinanderliegende Nockenabschnitte aufgeteilt ist, die bei gleichem Grundkreisdurchmesser mit unterschiedlichen Nockenerhebungen versehen sind. Der mindestens eine Nockenträger kann nun durch einen zugehörigen Aktuator über Stellmittel gezielt relativ zur Grundnockenwelle zwischen unterschiedlichen axialen Positionen verschoben werden, in welchen jeweils je einer der zumindest zwei Nockenabschnitte eine Ansteuerung des je zugehörigen Gaswechselventils vornimmt.
Im Sinne der Erfindung sind dabei bevorzugt zwischen dem mindestens einen Nockenträger und der Grundnockenwelle radial über Federelemente vorgespannte Kugeln vorgesehen, von welchen jede in eine je einer axialen Position zugeordnete Nut am Nockenträger eintaucht und damit den Nockenträger bis zu einer erneuten über die Stellmittel stattfindenden Verschiebung in dieser Position hält. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Ventiltrieb zudem bevorzugt um einen Einzylindermotor eines Kraftrades, wobei bei diesem Ventiltrieb ein Einlassnocken axial in zwei Nockenabschnitte unterteilt auf einem axial verschiebbaren Nockenträger ausgestaltet ist, der dann gezielt axial zu der Nockenwelle verschoben werden kann.
Die Erfindung umfasst nun die technische Lehre, dass die Stellmittel zumindest ein dem mindestens einen Nockenträger zugeordnetes, stangenartiges Schubelement umfassen, welches innerhalb der Grundnockenwelle axial verschiebbar verläuft und starr mit dem mindestens einen Nockenträger verbunden ist. Des Weiteren ist der zugehörige Aktuator im endseitigen Bereich der Grundnockenwelle angeordnet und steht mit dem zumindest einen Schubelement derartig in Wirkverbindung, dass eine Stellbewegung des Aktuators in eine Relativverschiebung des zumindest einen Schubelements zur Grundnockenwelle und damit in eine Verschiebung des mindestens einen Nockenträgers zwischen den axialen Positionen umsetzbar ist. Ferner erzeugt der zugehörige Aktuator die Stellbewegung rein mechanisch in Abhängigkeit einer Drehzahl der Grundnockenwelle.
Mit anderen Worten verfügen die Stellmittel also über mindestens ein stangenähnliches Element, welches innerhalb der Grundnockenwelle verläuft, wobei dieses Bauteil drehfest, aber axial verschiebbar zur Grundnockenwelle angeordnet ist und an einem Ende mit dem zugehörigen Nockenträger in Verbindung steht. Des Weiteren wird bei einer Stellbewegung des Aktuators, welcher an einem Ende der Grundnockenwelle platziert ist, eine Relativverschiebung des stangenförmigen Schubelements zur Grundnockenwelle hervorgerufen, was aufgrund der starren Koppelung zwischen Schubelement und Nockenträger in einer Verschiebung des Nockenträgers zur Grundnockenwelle resultiert, so dass der Nockenträger aus einer seiner axialen Positionen auf der Grundnockenwelle in eine andere Position bewegt wird. Die Stellbewegung wird dabei durch den Aktuator drehzahlabhängig dargestellt.
Die Anordnung des zugehörigen Aktuators im endseitigen Bereich der Grundnockenwelle hat hierbei den Vorteil, dass aufgrund der dortigen Platzverhältnisse im Vergleich zur Anordnung entlang der Grundnockenwelle ein problemloses Unterbringen des zugehörigen Aktuators möglich ist. Gleichzeitig kann aber über das innerhalb der Grundnockenwelle verlaufende, mindestens eine Schubelement eine sichere Übertragung einer Stellbewegung des Aktuators auf den jeweiligen Nockenträger gewährleistet werden. Denn durch das drehfest mit der Grundnockenwelle umlaufende und hierzu axial relativ verschiebbare Schubelement kann die Stellbewegung äußerst kompakt zu der gewünschten Stelle der Grundnockenwelle geführt werden. Mittels der rein mechanischen Erzeugung der Stellbewegung in Abhängigkeit der Drehzahl kann ferner eine einfache Steuerung zur Darstellung der axialen Verschiebungen des jeweiligen Nockenträgers zur Grundnockenwelle verwirklicht werden, was den erfindungsgemäßen Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen ohne Steuerelektronik geeignet macht. So kann insbesondere bei Einzylindermotoren von Krafträdern eine drehzahlabhängige Variation von Öffnungszeiten und/oder Ventilhüben eines oder mehrerer Gaswechselventile ohne Vorsehen einer entsprechenden Steuerelektronik dargestellt werden.
Im Unterschied hierzu sind bei der DE 10 2004 011 586 A1 Aktuatoren zur Einleitung der axialen Relativbewegungen eines jeweiligen Nockenträgers entlang der Grundnockenwelle und unmittelbar im Bereich des jeweiligen Nockenträgers platziert, was aufgrund der in diesem Bereich vorherrschenden Bauraumverhältnisse nicht unproblematisch ist. Zudem wird die jeweilige Stellbewegung über je einen elektrischen Aktuator hervorgerufen, so dass eine entsprechende Steuerelektronik notwendig ist.
Im Sinne der Erfindung ist unter einem stangenartigen Schubelement ein längliches Bauteil zu verstehen, welches innerhalb der Grundnockenwelle verläuft. Dieses Schubelement kann dabei dann als Vollstange oder auch als Rohr ausgeführt sein. Des Weiteren ist dieses Schubelement bevorzugt parallel zur Grundnockenwelle, insbesondere aber koaxial zu dieser vorgesehen. Ferner wird die starre Koppelung mit dem jeweiligen auf der Grundnockenwelle vorgesehenen Nockenträger bevorzugt über einen radial verlaufenden Stift hergestellt, welcher das Schubelement durchdringt und dessen Enden dann jeweils innerhalb des Nockenträgers liegen.
Abgesehen von einem Einzylindermotor ist auch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Ventiltriebs bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine denkbar, wobei dann entsprechend für die Gaswechselventile der einzelnen Zylinder je zugeordnete Nockenträger vorgesehen sind, welche über einen oder mehrere zugeordnete Aktuatoren im stirnseitigen Bereich der jeweiligen Grundnockenwelle über je zugehörige Schubelemente gezielt relativ zur Grundnockenwelle verschoben werden können. Diese mehreren Schubelemente verlaufen dann bevorzugt koaxial zueinander verlaufen und sind zu diesem Zweck als Voll- und Hohlprofile ausgeführt.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Stellbewegung des Aktuators in gegensätzlich zueinander orientierte Hubbewegungen je zweier dem zumindest einen Schubelement zugeordneter Stellstifte umsetzbar, welche dabei jeweils Bewegungen zwischen einer jeweiligen Grundstellung und einer jeweiligen Betätigungsstellung ausführen. Dabei laufen die Stellstifte jeweils in ihrer jeweiligen Betätigungsstellung an je einer zugehörigen, in axialer Richtung veränderlichen Schaltkulisse des zumindest einen Schubelements an, so dass eine gemeinsam mit der Grundnockenwelle ausgeführte Rotation des zumindest einen Schubelements in eine der je zugehörigen Schaltkulisse entsprechende Relativverschiebung umsetzbar ist. Die Relativverschiebung des Schubelements gegenüber der Grundnockenwelle wird also dadurch erreicht, dass das Schubelement mit Schaltkulissen versehen ist, welche jeweils in axialer Richtung veränderlich ausgestaltet sind und die jeweils gezielt mit einem je zugehörigen Stellstift in Kontakt gebracht werden können. Bei Kontakt der jeweiligen Schaltkulisse mit dem jeweiligen Stellstift bewirkt dann die axial veränderliche Kontur der jeweiligen Schaltkulisse beim Anlaufen des zugehörigen Stellstifts die Relativverschiebung des Schubelements. Dabei ist für jede der beiden Verschiebungsrichtungen des Schubelements je ein Stellstift vorgesehen, welcher über den Aktuator zwischen zwei Endstellungen bewegbar ist, wobei die Stellstifte zwischen diesen Endstellungen gegensätzlich zueinander orientierte Hubbewegungen ausführen. Somit bewegt sich der eine Stellstift aus seiner Grundstellung in die Betätigungsstellung, während der andere Stellstift aus seiner Betätigungsstellung in seine Grundstellung überführt wird.
Dementsprechend kann auf einfache Art und Weise eine Stellbewegung des Aktuators in die gewünschte Relativverschiebung des Schubelements zur Grundnockenwelle umgesetzt werden, wobei durch entsprechende Gestaltung der Schaltkulissen in axialer Richtung dabei gewährleistet werden kann, dass diese Relativverschiebung nur in der Grundkreisphase des Nockens stattfindet. Somit wird ein problemloser Wechsel von dem einen Nockenabschnitt mit einer Nockenerhebung auf einen axial benachbart liegenden Nockenabschnitt mit einer hierzu abweichenden Nockenerhebung vollzogen.
In Weiterbildung der vorgenannten Ausführung sind die je zwei Stellstifte durch je eine gemeinsame Wippe geführt, welche drehbar um eine Kippachse gelagert ist und beidseitig der Kippachse die je zwei Stellstifte anlenkt. Die je eine Wippe steht zudem mit dem Aktuator in Verbindung und führt bei dessen Stellbewegung eine Kippbewegung um die Kippachse aus, welche die gegensätzlich zueinander orientierten Hubbewegungen der Stellstifte bewirkt. Vorteilhafterweise kann durch die beidseitig der Kippachse vorgesehene Anlenkung der Stellstifte über die Wippe die gegensätzlich zueinander orientierte Hubbewegung auf einfache Weise realisiert werden.
Entsprechend einer Weiterbildung der vorgenannten Ausgestaltung führt die je eine Wippe die Kippbewegung entgegen einem je zugeordneten Federelement aus, welches die je eine Wippe in eine Stellung vorspannt, in der sich einer der je zwei Stellstifte in seiner Betätigungsstellung und der jeweils andere in seiner Grundstellung befindet. Mittels einer derartigen Ausführungsform der Erfindung wird gewährleistet, dass einer der beiden Stellstifte stets in der Betätigungsstellung positioniert ist und dementsprechend bei fehlender Betätigung über den Aktuator das Schubelement in einer eine Position des zugehörigen Nockenträgers definierenden Stellung verbleibt, während eine Änderung dieses Zustands erst ab Überwinden der Federkraft durch Verkippen der Wippe und Überführen der beiden Stellstifte in die jeweils entgegengesetzte Stellung eingeleitet wird. Bevorzugt ist das zugeordnete Federelement dabei koaxial zu einem Stellstift vorgesehen, welcher in die Betätigungsstellung vorgespannt ist, und als Druckfeder ausgeführt. Ebenso gut ist jedoch auch eine anderweitige Anordnung, beispielsweise eine direkte Angliederung des zugeordneten Federelements an der Wippe, oder eine andere Ausgestaltung des Federelements denkbar.
Erfindungsgemäß sind ferner gegen die je eine Wippe zwei Kugeln einer zugehörigen Rastierung vorgespannt, wobei eine der Kugeln in der jeweiligen Betätigungsstellung eines der je zwei Stellstifte in eine zugehörige Nut der je einen Wippe einfasst, während die jeweils andere Kugel in der jeweiligen Betätigungsstellung des jeweils anderen Stellstifts mit einer je zugeordneten Nut an der je einen Wippe in Überdeckung gelangt. Mit anderen Worten wird also in den Betätigungsstellungen der Stellstifte je eine Kugel der Rastierung in je eine zugeordnete Nut an der Wippe eingedrückt, so dass die Wippe in dieser jeweiligen Lage gehalten wird. Hierdurch wird verhindert, dass die Wippe ungewollte Stellungen zwischen diesen beiden definierten Positionen einnimmt, was ansonsten auch in einer Positionierung der Stellstifte zwischen der jeweiligen Grundstellung und der jeweiligen Betätigungsstellung resultieren würde. Über die Rastierung wird durch die jeweils aktuell in die zugehörige Nut eingedrückte Kugel einem Verlassen dieser Position ein Widerstand entgegengesetzt, während bei einem über den Aktuator erzwungenen Positionswechsel die Einnahme der entgegengesetzten Endstellung durch Einlaufen der jeweils anderen Kugel in die zugehörige Nut unterstützt wird.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung steht die je eine Wippe mit dem Aktuator über einen schwenkbar um eine Schwenkachse gelagerten Hebel in Verbindung, welcher an einem auf einer Seite der Schwenkachse liegenden Hebelarm mit dem Aktuator gekoppelt ist und mit einem auf einer entgegengesetzten Seite der Schwenkachse platzierten Hebelarm an der je einen Wippe angreift. Hierdurch wird die Stellbewegung des Aktuators durch den Hebel in die Kippbewegung der je einen Wippe umgesetzt, wobei über diesen Hebel dabei ein entsprechender Zwischenraum zwischen dem Aktuator und der Wippe zur Übertragung der Stellbewegung überbrückt werden kann. So kann bei Anordnung des Aktuators im Bereich der Grundnockenwelle eine translatorische Stellbewegung des Aktuators über den Hebel und dessen Verschwenken problemlos auf die beabstandet hierzu angeordnete Wippe geleitet werden.
In Weiterbildung der Erfindung führt die je eine Wippe den jeweiligen Stellstift über je einen in einem Langloch der Wippe verlaufenden Querstift an. Durch diesen Querstift im Zusammenspiel mit dem Langloch der Wippe kann der Querstift eine leichte Ausgleichsbewegung in der Wippe bei Übertragen der Kippbewegung der Wippe auf den jeweiligen Stellstift ausführen, so dass der jeweilige Stellstift stets entlang seiner jeweiligen Hubachse geführt wird.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung ist die je zugehörige Schaltkulisse durch eine axial orientierte Steuerrampe ausgestaltet, welche umlaufend an einer axialen Flanke einer zugehörigen Scheibe definiert ist. Diese zugehörige Scheibe ist dann drehfest mit dem zumindest einen Schubelement verbunden. Insbesondere ist dabei nur je eine Scheibe auf dem zumindest einen Schubelement aufgesetzt, welche an beiden axialen Flanken durch Steuerrampen die zugehörigen Schaltkulissen der Steuerstifte ausbildet. Im letztgenannten Fall können durch die eine Scheibe mit den entgegengesetzt orientierten Steuerrampen im Zusammenspiel mit den je zugehörigen Stellstiften die gewünschten Relativverschiebungen des Schubelements zur Grundnockenwelle zuverlässig dargestellt werden. Die axial orientierten Steuerrampen sind dabei in Umfangsrichtung derartig zu gestalten, dass die jeweils zugehörige Relativverschiebung des Schubelements zur Grundnockenwelle in der Grundkreisphase des zu bewegenden Nockens stattfindet.
Erfindungsgemäß ist der Aktuator derartig ausgestaltet, dass eine Außenhülse koaxial zur Grundnockenwelle vorgesehen und drehfest mit dieser verbunden ist, wobei diese Außenhülse axial zu der Grundnockenwelle verschoben werden kann und axial fixierte, aber radial bewegliche Kugeln umschließt. Dabei laufen die Kugeln an einem Innenkonus der Außenhülse an und führen entsprechend einer durch eine Rotation von Grundnockenwelle und Außenhülse hervorgerufenen Fliehkraft eine radiale Bewegung aus, welche über den Innenkonus in eine die Stellbewegung des Aktuators darstellende Axialbewegung der Außenhülse umsetzbar ist. Die axial fixierten und radial beweglichen Kugeln wandern also bei Rotation der Grundnockenwelle unter Einwirkung der Fliehkraft nach radial außen, wobei diese Radialbewegung durch Abrollen am Innenkonus eine entsprechende Axialbewegung der Außenhülse zur Grundnockenwelle bewirkt. Mittels einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung kann eine Stellbewegung des Aktuators auf rein mechanische Art und Weise in Abhängigkeit einer Drehzahl der Grundnockenwelle hervorgerufen werden. Die axiale Fixierung der zwischenliegenden Kugeln wird dabei insbesondere dadurch erreicht, dass ebenfalls koaxial zur Grundnockenwelle eine Innenhülse des Aktuators vorgesehen ist, welche die Kugeln in der einen axialen Richtung an einer Bewegung hindert, während in der anderen axialen Richtung der Innenkonus der Außenhülse ein axiales Ausweichen der Kugeln unterbindet.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale des Hauptanspruchs oder der abhängigen Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus Möglichkeiten einzelne Merkmale, auch soweit sie aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform oder unmittelbar aus den Zeichnungen hervorgehen, miteinander zur kombinieren. Die Bezugnahme der Ansprüche auf die Zeichnungen durch Verwendung von Bezugszeichen soll den Schutzumfang der Ansprüche nicht beschränken.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine;
2 eine Schnittansicht des Ventiltriebs aus 1, geschnitten entlang der Linie A-A in 3; und
3 eine weitere Schnittansicht des Ventilantriebs aus 1, geschnitten entlang der Linie B-B in 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus 1 geht eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine hervor, bei welcher es sich bevorzugt um einen Einzylindermotor eines Kraftrades handelt. Dieser Ventiltrieb ist dabei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur teilweise dargestellt und umfasst eine Grundnockenwelle 1, die über Wälzlagerungen 2 und 3 in einem – nicht weiter dargestellten – Zylinderkopf der Brennkraftmaschine drehbar gelagert ist und zum Antrieb über ein Antriebsrad 4 mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Verbindung steht Das Antriebsrad 4 kann hierbei entweder ein Zugmittel, wie einen Zahnriemen oder eine Kette führen, oder mit einem Zahnrad auf der Kurbelwelle im Zahneingriff stehen.
Zwischen den beiden Wälzlagerungen 2 und 3 verfügt die Grundnockenwelle 1 des Weiteren über zwei Nocken 5 und 6, über welche jeweils eine Drehbewegung der Grundnockenwelle 1 über zwischenliegende, nicht weiter dargestellte Nockenfolger in Ventilhübe je zugeordneter, vorliegend ebenfalls nicht illustrierter Gaswechselventile umgesetzt wird. Dabei stellt der Nocken 5 einen Einlassnocken der Grundnockenwelle 1 und der Nocken 6 einen Auslassnocken der Grundnockenwelle 1 dar. Wie zudem insbesondere in Kombination mit der Schnittansicht aus 2 zu erkennen ist, ist der Nocken 6 einstückig mit der Grundnockenwelle 1 ausgebildet, während der Nocken 5 auf einem Nockenträger 7 vorgesehen ist, welcher als separates Bauteil drehfest und axial verschiebbar auf der Grundnockenwelle 1 platziert ist. Diese drehfeste und axial verschiebbare Anordnung des Nockenträgers 7 wird hierbei beispielsweise in Form einer Keilwellenverbindung realisiert.
Als weitere Besonderheit ist der Nocken 5 zudem in zwei axial nebeneinanderliegende Nockenabschnitte 8 und 9 unterteilt, welche einander in einem Grundkreisdurchmesser entsprechen, aber unterschiedlich gestaltete Nockenerhebungen aufweisen, was andeutungsweise aus der perspektivischen Ansicht in 1 hervorgeht, in welcher beim Nockenabschnitt 8 im Unterschied zum Nockenabschnitt 9 bereits eine Nockenerhebung zu erkennen ist. Das dem Nocken 5 zugeordnete Gaswechselventil kann nun entweder entsprechend dem Nockenabschnitt 8 oder aber entsprechend dem Nockenabschnitt 9 betrieben werden, indem der jeweilige Nockenabschnitt 8 bzw. 9 durch axiales Verschieben des Nockenträgers 7 relativ zur Grundnockenwelle 1 axial zum jeweiligen Nockenfolger positioniert wird. Der Nockenträger 7 kann dementsprechend zwei axiale Positionen relativ zur Grundnockenwelle 1 einnehmen, wobei in der einen axialen Position der Nockenabschnitt 8 mit dem jeweiligen Nockenfolger in Kontakt steht, während in der anderen axialen Position der Nockenfolger an dem Nockenabschnitt 9 anläuft. Ein Wechsel zwischen den axialen Positionen des Nockenträgers 7 und damit eine Variation der Betätigung des zugehörigen Gaswechselventils kann dabei in der Grundkreisphase des Nockens 5 vollzogen werden, wobei entsprechend der Gestaltung der jeweiligen Nockenerhebungen der Nockenabschnitte 8 und 9 dann durch diesen Wechsel eine Veränderung des Ventilhubes und/oder der Öffnungsdauer des zugehörigen Gaswechselventils herbeigeführt werden kann.
Eine gezielte axiale Verschiebung des Nockenträgers 7 zwischen den beiden axialen Positionen wird nun über einen Aktuator 10 in Abhängigkeit einer Drehzahl der Grundnockenwelle 1 vorgenommen, wobei dieser Aktuator 10 an einem Ende der Grundnockenwelle 1 koaxial zu dieser vorgesehen ist und eine Stellbewegung erzeugen kann, welche über zwischenliegende Stellmittel auf den Nockenträger 7 übertragbar ist. Hierbei umfassen die Stellmittel ein innerhalb der Grundnockenwelle 1 verlaufendes Schubelement 11, das vorliegend als koaxial zur Grundnockenwelle 1 verlaufende Schubstange ausgestaltet ist und bei drehfester Verbindung mit der Grundnockenwelle 1 axial zu dieser verschoben werden kann. Eine derartige Relativverschiebung zur Grundnockenwelle 1 wird dabei über einen quer durch das Schubelement 11 hindurchgeführten Stift 12 auf den Nockenträger 7 übertragen, indem Enden des Stifts 12 jeweils innerhalb des Nockenträgers 7 liegen und dem Stift 12 in der Grundnockenwelle 1 eine entsprechende Bewegungsmöglichkeit in Form eines quer verlaufenden Langlochs 13 eingeräumt ist.
Zur Einleitung der Relativverschiebung des Schubelements 11 zur Grundnockenwelle 1 steht das Schubelement 11 auf Seiten des Aktuators 10 mit einem Ende über das dortige Ende der Grundnockenwelle 1 hervor und trägt an diesem Ende eine Scheibe 14, welche sich aus einer drehfest auf dem Schubelement 11 befestigten Distanzhülse 15 und einer radial hierauf aufgebrachten Steuerhülse 16 zusammensetzt. Die Steuerhülse 16 verfügt dabei über in axialer Richtung orientierte Steuerrampen 17 und 18, die jeweils an axialen Flanken der Scheibe 14 ausgebildet sind und jeweils eine in axialer Richtung veränderliche Schaltkulisse definieren. Die Relativverschiebung des Schubelements 11 wird nun durch Zusammenspiel dieser Steuerrampen 17 und 18 mit je zugehörigen Stellstiften 19 und 20 hervorgerufen, von welchen der Stellstift 19 an der Steuerrampe 17 und der Stellstift 20 an der Steuerrampe 18 durch Verschieben aus einer jeweiligen Grundstellung in eine jeweilige Betätigungsstellung anläuft. In Folge des dann stattfindenden Entlanggleitens der jeweiligen Steuerrampe 17 bzw. 18 an dem je zugehörigen Stellstift 19 bzw. 20 wird bei der gemeinsamen Rotation des Schubelements 11 mit der Grundnockenwelle 1 eine dem axialen Verlauf der jeweiligen Steuerrampe 17 bzw. 18 entsprechende Bewegung des Schubelements 11 erzwungen. Es wird also eine Hubbewegung des jeweiligen Stellstifts 19 bzw. 20 in die Betätigungsstellung durch den dann stattfindenden Kontakt mit der je zugehörigen Steuerrampe 17 bzw. 18 in eine entsprechende Axialverschiebung des Schubelements 11 umgesetzt.
Wie nun insbesondere aus 2 ersichtlich ist, sind die beiden Stellstifte 19 und 20 durch eine gemeinsame Wippe 21 geführt, welche drehbar um eine Kippachse 22 gelagert ist und die beiden Stellstifte 19 und 20 beiderseits dieser Kippachse 22 über Querstifte 23 und 24 anlenkt. Die Querstifte 23 und 24 verlaufen dabei in einem jeweiligen Langloch 25 bzw. 26 der Wippe 21, so dass die Querstifte 23 und 24 bei einer Kippbewegung der Wippe 21 und bei Führen der Stellstifte 19 und 20 entlang einer jeweiligen Hubachse eine Ausgleichsbewegung in dem jeweiligen Langloch 25 bzw. 26 ausführen können.
Wie des Weiteren insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist koaxial zu dem Stellstift 20 ein Federelement 27 vorgesehen, welches den Stellstift 20 in seine, aus 2 ersichtliche Betätigungsstellung vorspannt, was dann aufgrund der gemeinsamen Führung über die Wippe 21 auch eine Vorspannung des Stellstifts 19 in seine Grundstellung zur Folge hat. Um nun den Stellstift 19 in die Betätigungsstellung und damit den Stellstift 20 in die Grundstellung überführen zu können, was eine Relativverschiebung des Schubelements 11 und damit auch des Nockenträgers 7 zur Grundnockenwelle 1 aus der in 2 ersichtlichen Position zur Folge hat, greift ein Hebel 28 mit einem Querstift 29 exzentrisch zur Kippachse 22 an der Wippe 21 an. Dieser Querstift 29 wird dabei im endseitigen Bereich eines Hebelarmes 30 des Hebels 28 geführt, welcher auf einer Seite einer Schwenkachse 31 des Hebels 28 liegt, wohingegen der Hebel 28 mit einem auf einer entgegengesetzten Seite der Schwenkachse 31 platzierten Hebelarm 32 mit dem Aktuator 10 in Kontakt steht. Dementsprechend wird eine axiale Stellbewegung des Aktuators 10 durch Schwenken des Hebels 28 um die Schwenkachse 31 auf die Wippe 21 übertragen, welche daraufhin den Stellstift 20 in Richtung seiner Grundstellung und den Stellstift 19 in Richtung seiner Betätigungsstellung entgegen dem Federelement 27 bewegt.
Um dabei allerdings Zwischenstellungen der Stellstifte 19 und 20 zwischen ihren jeweiligen Grund- und Betätigungsstellungen zu vermeiden, was ansonsten im Übergangsbereich auch zu einem Anlaufen beider Stellstifte 19 und 20 an ihren zugehörigen Steuerrampen 17 und 18 und dementsprechend eine Verspannung des Systems zur Folge haben würde, ist die Wippe 21 mit einer Rastierung 33 versehen, deren Aufbau insbesondere aus der weiteren Schnittansicht in 3 hervorgeht. Diese Rastierung 33 umfasst dabei zwei Kugeln 34 und 35, welche beiderseits der Wippe 21 liegend vorgesehen sind und jeweils über zugehörige Druckfedern 36 und 37 gegen die zwischenliegende Wippe 21 vorgespannt sind. Die Wippe 21 ist dabei auf den Kugeln 34 und 35 jeweils zugewendeten Oberflächen mit je einer Nut 38 und 39 versehen, von welchen die Nut 38 mit der Kugel 34 in der Betätigungsstellung des Stellstifts 19 in Überdeckung gelangt, während die Kugel 35 in die ihr zugewendete Nut 39 in der Betätigungsstellung des Stellstifts 20 einfasst, wie im vorliegenden Fall geschehen. Die Rastierung 33 hält somit die Wippe 21 über die Kugeln 34 und 35 jeweils in den Betätigungsstellungen der Stellstifte 19 und 20 und verhindert ein ungewolltes Verlassen dieser Positionen. Wird die Wippe allerdings aktiv aus der Position bewegt, in welcher sie über die Kugel 34 bzw. 35 gehalten wird, so unterstützt ein Einlaufen der jeweils anderen Kugel 35 bzw. 34 in die je zugehörige Nut 39 bzw. 38 ein Kippen der Wippe 21 in die je zugehörige, eine Betätigungsstellung des zugehörigen Stellstifts 19 bzw. 20 definierende Position.
Schließlich ist insbesondere aus 2 auch ein genauerer Aufbau des Aktuators 10 ersichtlich, über welchen rein mechanisch eine Stellbewegung in Abhängigkeit der Drehzahl der Grundnockenwelle 1 hervorrufbar ist. Dieser Aktuator verfügt dabei über eine koaxial zur Grundnockenwelle 1 vorgesehene Außenhülse 40, welche über eine radial innenliegende Innenhülse 41 drehfest mit der Grundnockenwelle 1 gekoppelt ist und gegenüber der Grundnockenwelle 1 axiale Bewegungen ausführen kann. Dabei nehmen die Innenhülse 41 und die Außenhülse 40 zwischen sich mehrere Kugeln 42 auf, welche über die Innenhülse und einen Innenkonus 43 der Außenhülse 40 jeweils axial in Position gehalten werden, aber in der Lage sind, radiale Bewegungen auszuführen. Eine Stellbewegung des Aktuators 10 wird nun dadurch in Abhängigkeit der Drehzahl der Grundnockenwelle 1 erzeugt, indem die Innenhülse 41 und die Außenhülse 40 und damit auch die Kugeln 42 gemeinsam mit der Grundnockenwelle 1 rotieren, wobei die Kugeln 42 unter der damit auf sie wirkenden Fliehkraft eine radiale Bewegung ausführen und an dem Innenkonus 43 der Außenhülse 40 abrollen. Über den Innenkonus 43 wird dementsprechend diese radiale Bewegung der Kugeln 42 in eine Axialbewegung der Außenhülse 40 umgesetzt. Zur Übertragung dieser Stellbewegung auf den Hebel 28 und damit auf die Wippe 21 steht die Außenhülse 40 des Aktuators 10 stirnseitig mit dem Hebelarm 32 des Hebels 28 in Kontakt.
Über den rein mechanischen, drehzahlbetätigten Aktuator 10 kann somit über den zwischenliegenden Hebel 28 eine Kippbewegung der Wippe 21 entgegen dem Federelement 27 eingeleitet werden, wenn eine zur Überwindung der Federkraft des Federelements 27 ausreichende Drehzahl an der Grundnockenwelle 1 auftritt. Insbesondere ist eine Federkraft des Federelements 27 dabei derartig gewählt, dass ein derartiges Überschreiten ab Verlassen eines Leerlaufbetriebs der Brennkraftmaschine gegeben ist. Folglich wird also eine Verschiebung des Schubelements 11 und damit auch des Nockenträgers 7 aus der in den Figuren dargestellten Stellung erst ab Betrieb der Brennkraftmaschine über der Leerlaufdrehzahl hervorgerufen, so dass dementsprechend eine drehzahlabhängige Betätigung des zugehörigen Gaswechselventils über den Nocken 5 erfolgen und eine Verbrennungsstabilität, ein Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen im Leerlaufbetrieb positiv beeinflusst werden können.
Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Ventiltriebs ist es somit möglich, auf rein mechanische und kompakte Art und Weise eine Hubumschaltung eines Gaswechselventils zwischen voneinander abweichenden Ventilhubkurven drehzahlabhängig durchzuführen.
Bezugszeichenliste

1: Grundnockenwelle
2: Wälzlager
3: Wälzlager
4: Antriebsrad
5: Nocken
6: Nocken
7: Nockenträger
8: Nockenabschnitt
9: Nockenabschnitt
10: Aktuator
11: Schubelement
12: Stift
13: Langloch
14: Scheibe
15: Distanzhülse
16: Steuerhülse
17: Steuerrampe
18: Steuerrampe
19: Stellstift
20: Stellstift
21: Wippe
22: Kippachse
23: Querstift
24: Querstift
25: Langloch
26: Langloch
27: Federelement
28: Hebel
29: Querstift
30: Hebelarm
31: Schwenkachse
32: Hebelarm
33: Rastierung
34: Kugel
35: Kugel
36: Druckfeder
37: Druckfeder
38: Nut
39: Nut
40: Außenhülse
41: Innenhülse
42: Kugeln
43: Innenkonus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004011586 A1 [0003, 0011]

Claims

Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, umfassend mindestens eine Grundnockenwelle (1), auf welcher mindestens ein Nockenträger (7) drehfest und axial verschiebbar angeordnet ist, wobei der mindestens eine Nockenträger (7) mindestens einen Nocken (5) zur Betätigung eines je zugehörigen Gaswechselventils aufweist, welcher in zumindest zwei axial nebeneinanderliegende Nockenabschnitte (8, 9) aufgeteilt ist, die bei gleichem Grundkreisdurchmesser mit unterschiedlichen Nockenerhebungen versehen sind, wobei der mindestens eine Nockenträger (7) durch einen zugehörigen Aktuator (10) über Stellmittel relativ zur Grundnockenwelle (1) zwischen unterschiedlichen axialen Positionen verschiebbar ist, in welchen jeweils das je zugehörige Gaswechselventil über je einen zugeordneten der zumindest zwei Nockenabschnitte (8, 9) ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmittel zumindest ein dem mindestens einen Nockenträger (7) zugeordnetes, stangenartiges Schubelement (11) umfassen, welches innerhalb der Grundnockenwelle (1) axial verschiebbar verläuft und starr mit dem mindestens einen Nockenträger (7) verbunden ist, wobei der zugehörige Aktuator (10) im endseitigen Bereich der Grundnockenwelle (1) angeordnet ist und mit dem zumindest einen Schubelement (11) derartig in Wirkverbindung steht, dass eine Stellbewegung des Aktuators (10) in eine Relativverschiebung des zumindest einen Schubelements (11) zur Grundnockenwelle (1) und damit in eine Verschiebung des mindestens einen Nockenträger (7) zwischen den axialen Positionen umsetzbar ist, und wobei der zugehörige Aktuator (10) die Stellbewegung rein mechanisch in Abhängigkeit einer Drehzahl der Grundnockenwelle (1) erzeugt.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellbewegung des Aktuators (10) in gegensätzlich zueinander orientierte Hubbewegungen je zweier dem zumindest einen Schubelement (11) zugeordneter Stellstifte (19, 20) jeweils zwischen einer jeweiligen Grundstellung und einer jeweiligen Betätigungsstellung umsetzbar ist, wobei die Stellstifte (19, 20) jeweils in der jeweiligen Betätigungsstellung an je einer zugehörigen, in axialer Richtung veränderlichen Schaltkulisse des zumindest einen Schubelements (11) anlaufen, so dass eine gemeinsam mit der Grundnockenwelle (1) ausgeführte Rotation des zumindest einen Schubelements (11) in eine der je zugehörigen Schaltkulisse entsprechende Relativverschiebung umsetzbar ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die je zwei Stellstifte (19, 20) durch je eine gemeinsame Wippe (21) geführt sind, welche drehbar um eine Kippachse (22) gelagert ist und beidseitig der Kippachse (22) die je zwei Stellstifte (19, 20) anlenkt, wobei die je eine Wippe (21) mit dem Aktuator (10) in Verbindung steht und bei dessen Schaltbewegung eine Kippbewegung um die Kippachse (22) ausführt, welche die gegensätzlich zueinander orientierten Hubbewegungen der je zwei Stellstifte (19, 20) bewirkt.
Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die je eine Wippe (21) die Kippbewegung entgegen einem je zugeordneten Federelement (27) ausführt, welches die je eine Wippe (21) in eine Stellung vorspannt, in der sich einer der je zwei Stellstifte (20) in der jeweiligen Betätigungsstellung und der jeweils andere (19) in der jeweiligen Grundstellung befindet.
Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass gegen die je eine Wippe (21) zwei Kugeln (34, 35) einer zugehörigen Rastierung (33) vorgespannt sind, wobei eine der Kugeln (34) in der jeweiligen Betätigungsstellung eines (19) der je zwei Stellstifte (19, 20) in eine zugehörige Nut (38) der je einen Wippe (21) einfasst, während die jeweils andere Kugel (35) in der jeweiligen Betätigungsstellung des jeweils anderen Stellstifts (20) mit einer zugeordneten Nut (39) an der je einen Wippe (21) in Überdeckung gelangt.
Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die je eine Wippe (21) mit dem Aktuator (10) über je einen schwenkbar um eine Schwenkachse (31) gelagerten Hebel (28) in Verbindung steht, welcher an einem auf einer Seite der Schwenkachse (31) liegenden Hebelarm (32) mit dem Aktuator (10) gekoppelt ist und mit einem auf einer entgegengesetzten Seite der Schwenkachse (31) platzierten Hebelarm (30) an der je einen Wippe (21) angreift, so dass die Stellbewegung des Aktuators (10) durch den je einen Hebel (28) in die Kippbewegung der je einen Wippe (21) umsetzbar ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die je eine Wippe (21) die je zwei Stellstifte (19, 20) jeweils über je einen in einem Langloch (25, 26) der Wippe (21) verlaufenden Querstift (23, 24) anlenkt.
Ventiltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die je zugehörige Schaltkulisse durch eine axial orientierte Steuerrampe (17, 18) ausgestaltet ist, welche umlaufend an einer axialen Flanke einer zugehörigen Scheibe (14) definiert ist, wobei die zugehörige Scheibe (14) drehfest mit dem zumindest einen Schubelement (11) verbunden ist.
Ventiltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Scheibe (14) auf dem zumindest einen Schubelement (11) aufgesetzt ist, welche an beiden axialen Flanken durch Steuerrampen (17, 18) die zugehörigen Schaltkulissen der Steuerstifte (19, 20) ausbildet.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (10) eine koaxial zur Grundnockenwelle (1) vorgesehene und drehfest mit der Grundnockenwelle (1) verbundene Außenhülse (40) umfasst, die axial zu der Grundnockenwelle (1) verschiebbar ist und axial fixierte, aber radial bewegliche Kugeln (42) umschließt, wobei die Kugeln (42) an einem Innenkonus (43) der Außenhülse (40) anlaufen und entsprechend einer durch eine Rotation der Grundnockenwelle (1) hervorgerufenen Fliehkraft eine radiale Bewegung ausführen, welche über den Innenkonus (43) in eine entsprechende, die Stellbewegung des Aktuators (10) darstellende Axialbewegung der Außenhülse (40) umsetzbar ist.