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Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einer Grundnockenwelle, auf der drehfest und zwischen wenigstens zwei Axialpositionen axial verschiebbar mindestens ein Nockenträger vorgesehen ist, wobei dem Nockenträger zum axialen Verschieben mittels eines Aktuators eine Schaltkulisse zugeordnet ist.
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Ventiltriebe der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden für Brennkraftmaschinen eingesetzt, bei welchen das Arbeitsspiel von Gaswechselventilen einzelner Zylinder der Brennkraftmaschine zur Verbesserung der thermodynamischen Eigenschaften beeinflusst werden kann. Der mindestens eine Nockenträger, welcher auch als Nockenstück bezeichnet werden kann, ist drehfest und axial verschiebbar auf der Grundnockenwelle angeordnet. Dem Nockenträger sind üblicherweise mehrere, also zumindest zwei, Ventilbetätigungsnocken zugeordnet. Jeder dieser Ventilbetätigungsnocken weist eine Exzentrizität auf, welche der Betätigung eines der Gaswechselventile der Brennkraftmaschine bei einem bestimmten Drehwinkel der Grundnockenwelle dient. Die Ventilbetätigungsnocken laufen demnach gemeinsam mit der Grundnockenwelle um, sodass das jeweilige Gaswechselventil der Brennkraftmaschine zumindest einmal pro Umdrehung der Grundnockenwelle von dem zugeordneten Ventilbetätigungsnocken beziehungsweise dessen Exzentrizität betätigt wird. Der Ventilbetätigungsnocken wirkt dazu vorzugsweise mit einem Rollenschlepphebel des Gaswechselventils zusammen, indem er mit diesem in Anlagekontakt tritt.
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Vorzugsweise sind mehrere Ventilbetätigungsnocken vorgesehen, welche unterschiedlichen Nockengruppen zugeordnet sein können. Die Ventilbetätigungsnocken einer Nockengruppe unterscheiden sich nun beispielsweise hinsichtlich der Winkellage ihrer Exzentrizität oder der Erstreckung derselben in radialer Richtung (Höhe) und/oder in Umfangsrichtung (Länge). Durch das axiale Verschieben des Nockenträgers kann dieser in wenigstens zwei Axialpositionen, beispielsweise in eine erste und eine zweite Axialposition, gebracht werden. In der ersten Axialposition wird das Gaswechselventil von einem ersten der Ventilbetätigungsnocken und in der zweiten Axialposition von einem zweiten der Ventilbetätigungsnocken betätigt, welche derselben Nockengruppe zugeordnet sind. Durch die Verlagerung des Nockenträgers können somit insbesondere der Öffnungszeitpunkt, die Öffnungsdauer und/oder der Hub des Gaswechselventils, insbesondere in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, ausgewählt werden.
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Das Verschieben beziehungsweise Verlagern des Nockenträgers in axialer Richtung erfolgt mithilfe einer Stelleinrichtung, die eine Schaltkulisse auf dem Nockenträger und einen ortsfest angeordneten Aktuator, üblicherweise in einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, umfasst. Der Aktuator verfügt beispielsweise über einen ausfahrbaren Mitnehmer, der sich mit einer insbesondere schrauben- oder spiralförmigen Kulissenbahn der Schaltkulisse in Eingriff bringen lässt. Die Kulissenbahn ist an der Schaltkulisse vorgesehen, welche dem Nockenträger zugeordnet ist. Zum Beispiel liegt die Schaltkulisse an dem Nockenträger vor oder ist mit diesem zum axialen Verschieben wirkverbunden. Die Kulissenbahn liegt vorzugsweise als Radialnut vor, welche den Umfang der Schaltkulisse durchgreift, also randoffen in dieser ausgebildet ist. Die Schaltkulisse weist insoweit wenigstens eine Kulissenbahn auf, in welche der Mitnehmer des Aktuators zum Verschieben des Nockenträgers einbringbar ist.
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Beispielsweise zeigt die
DE 10 2004 022 849 A1 einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Bei einem derartigen Ventiltrieb wirkt zu Beginn und am Ende des axialen Verschiebens stets die gesamte Nockenträgermasse auf den Aktuator. Dies bedeutet eine stoßartige Belastung, welche insbesondere bei dem Abbremsen in der neuen Axialposition zu Schwingungen führen kann. Diese verzögern unter Umständen ein Einrasten des Nockenträgers in der neuen Axialposition. Zudem ist eine Voransteuerung, also ein vorzeitiges Ausfahren des Mitnehmers, ohne dass tatsächlich ein axiales Verschieben des Nockenträgers bewirkt wird, nur in begrenztem Umfang möglich.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
DE 195 20 117 A1 ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, der eine in Lagern gehaltene Nockenwelle und ein axial bewegliches Verstellorgan aufweist, von dem mindestens ein drehfest aber axial verschiebbar auf der Nockenwelle gelagerter Nocken mit mindestens zwei unterschiedlichen Nockenbahnen verstellbar ist, der unter Zwischenschaltung eines Übertragungsmittels mindestens ein Gaswechselventil betätigt. Dabei ist vorgesehen, dass das Verstellorgan im Inneren der Nockenwelle geführt ist, und dass das Verstellorgan über mindestens ein in der Nockenwelle geführtes Federelement auf den Nocken einwirkt, wobei der Nocken als Nockenpaket mit drei unterschiedlichen Nockenbahnen ausgebildet ist und dass die einander zugewandten Seitenflächen der äußeren Nockenbahnen im Verlauf ihrer Erhebungsbahn als Anschlagfläche für einen angrenzenden Abschnitt des Übertragungsmittels dienen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine vorzuschlagen, bei welchem ein schnelles und exaktes Umschalten zwischen den Axialpositionen realisierbar ist. Zudem soll eine frühere Voransteuerung des Ventiltriebs möglich sein.
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Dies wird erfindungsgemäß mit einem Ventiltrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass die Schaltkulisse mittels eines an der Schaltkulisse und/oder dem Nockenträger befestigten elastischen Elements in Richtung einer Drehachse der Grundnockenwelle federnd an dem Nockenträger gelagert ist. Die Schaltkulisse ist demnach zumindest in geringem Umfang bezüglich des Nockenträgers verlagerbar. Zu diesem Zweck ist sie an dem Nockenträger entsprechend gelagert, wobei eine federnde Lagerung vorgesehen ist. Bedingt durch die federnde Lagerung wird bei einem Verschieben der Schaltkulisse mittels des Aktuators der Nockenträger selbst zunächst nicht oder lediglich in geringem Umfang in axialer Richtung verlagert. Zunächst wird eine federnde Vorspannung zwischen der Schaltkulisse und dem Nockenträger aufgebaut. Erst wenn diese Vorspannung ausreichend groß ist, erfolgt anschließend auch eine Verlagerung des Nockenträgers. Nachdem die Schaltkulisse mithilfe des Aktuators vollständig verlagert wurde, kann die Vorspannung eine weitere Verlagerung des Nockenträgers, allerdings üblicherweise lediglich in geringem Umfang, bewirken. Bedingt durch die federnde Lagerung der Schaltkulisse an dem Nockenträger werden die stoßartigen Belastungen während des axialen Verschiebens zumindest teilweise vermieden. Auch ist an der Schaltkulisse nunmehr eine Kulissenbahn realisierbar, welche eine frühere Voransteuerung ermöglicht. Zusätzlich werden beim Abbremsen in der neuen Axialposition Schwingungen vermieden, sodass ein zuverlässiges und schnelles Erreichen der neuen Axialposition erzielt ist.
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Die Erfindung sieht vor, dass die Schaltkulisse in Richtung einer Drehachse der Grundnockenwelle federnd an dem Nockenträger gelagert ist. Bei einer solchen Ausführungsform ist die Schaltkulisse demnach bevorzugt drehfest an dem Nockenträger und damit auch an der Grundnockenwelle gelagert. Dies wird beispielsweise jeweils mittels einer Verzahnung realisiert. Bei einem Betätigen des Aktuators greift der Mitnehmer somit zunächst in die Schaltkulisse ein und verlagert diese in axialer Richtung, ohne dass gleichzeitig eine Verlagerung des Nockenträgers erfolgt. Erst bei Erreichen einer ausreichend großen federnden Vorspannung wird anschließend auch der Nockenträger selbst in axialer Richtung verschoben.
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Zudem ist vorgesehen, dass zur federnden Lagerung der Schaltkulisse wenigstens ein elastisches Element, insbesondere ein Federelement, an der Schaltkulisse und/oder dem Nockenträger befestigt ist. Das elastische Element ist derart angeordnet, dass eine von dem Aktuator auf die Schaltkulisse ausgeübte axiale Kraft über das elastische Element auf den Nockenträger übertragen wird. Das elastische Element ist dabei derart ausgelegt, dass die bei dem axialen Verschieben üblicherweise auftretenden Kräfte lediglich eine elastische, nicht jedoch eine plastische Verformung des Elements bewirken. Besonders bevorzugt ist das elastische Element daher als Federelement ausgebildet, welches vorzugsweise aus Metall, insbesondere Federstahl, besteht. Alternativ kann jedoch auch ein elastischer Kunststoff, also ein Elastomer, als elastisches Element verwendet werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung, sieht vor, dass das elastische Element zwischen der Schaltkulisse und einem Kulissenanschlag des Nockenträgers angeordnet ist. Der Kulissenanschlag dient in zumindest einer axialen Richtung als Endanschlag für die Schaltkulisse. Bevorzugt ist auf jeder Seite der Schaltkulisse ein derartiger Kulissenanschlag vorgesehen. Die Kulissenanschläge sind in diesem Fall in axialer Richtung derart beabstandet, dass die Schaltkulisse zwischen ihnen verlagerbar ist. Sie weisen also einen Abstand zueinander auf, der größer ist als die axiale Erstreckung der Schaltkulisse. Der Kulissenanschlag ist Teil des Nockenträgers und wird beispielsweise von einem der Ventilbetätigungsnocken des Nockenträgers ausgebildet. Alternativ kann selbstverständlich auch ein von dem Ventilbetätigungsnocken separates Element an dem Nockenträger zur Ausbildung des Kulissenanschlags vorgesehen sein. Das elastische Element soll nun in axialer Richtung zwischen der Schaltkulisse und dem Kulissenanschlag vorliegen. Sind mehrere Kulissenanschläge vorgesehen, so ist vorzugsweise zwischen jedem Kulissenanschlag und der Schaltkulisse ein derartiges elastisches Element angeordnet.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das elastische Element eine Federscheibe oder eine Schraubenfeder ist. Prinzipiell kann ein beliebiges Federelement herangezogen werden. Bevorzugt wird jedoch die Federscheibe beziehungsweise eine Tellerfeder oder die Schraubenfeder verwendet, wobei letztere als Torsionsfeder vorliegt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das elastische Element in der Schaltkulisse integriert ist. Das elastische Element liegt also nicht getrennt von der Schaltkulisse, beispielsweise zwischen dieser und dem Kulissenanschlag vor. Vielmehr ist es in die Schaltkulisse integriert oder an dieser befestigt. Bei einer integrierten Anordnung des elastischen Elements kann beispielsweise die Schaltkulisse mehrteilig ausgebildet sein, wobei ein erstes Schaltkulissenteil zum Zusammenwirken mit dem Aktuator beziehungsweise dessen Mitnehmer vorgesehen ist und der zweite Schaltkulissenteil über das elastische Element mit dem ersten Schaltkulissenteil verbunden ist. Der zweite Schaltkulissenteil kann nun beispielsweise in axialer Richtung bezüglich des Nockenträgers festgesetzt, beispielsweise zwischen zwei Ventilbetätigungsnocken gehalten sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
- 1 einen Bereich eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine, wobei ein Nockenträger in einer ersten Axialposition vorliegt,
- 2 den Ventiltrieb bei einem ersten Verlagerungsschritt des Nockenträgers in Richtung einer zweiten Axialposition,
- 3 den Ventiltrieb bei einem zweiten Verlagerungsschritt des Nockenträgers,
- 4 den Ventiltrieb bei einem dritten Verlagerungsschritt des Nockenträgers,
- 5 den Ventiltrieb bei einem vierten Verlagerungsschritt des Nockenträgers,
- 6 den Nockenträger in einer zweiten Axialposition, und
- 7 eine Explosionsdarstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine.
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Die 1 zeigt einen Bereich eines Ventiltriebs 1 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine. Der Ventiltrieb 1 besteht aus einer Grundnockenwelle 2 und einem axial auf dieser verschiebbaren Nockenträger 3, der hier nur schematisch dargestellt ist. Unter der axialen Richtung ist eine Richtung zu verstehen, welche parallel zu einer Längsachse 4 beziehungsweise Drehachse der Grundnockenwelle 2 liegt. Der Nockenträger 3 weist eine zentrale Ausnehmung auf, welche von der Grundnockenwelle 2 durchgriffen ist. Im Bereich der Ausnehmung verfügt der Nockenträger 3 über eine Innenverzahnung, welche mit einer Außenverzahnung der Grundnockenwelle 2 zusammenwirkt, um den Nockenträger 3 drehfest, jedoch axial verschiebbar, auf der Grundnockenwelle 2 zu halten. Der Nockenträger 3 weist mehrere Ventilbetätigungsnocken (hier nicht dargestellt) auf, welche wenigstens einer Nockengruppe zugeordnet sind. Weiterhin verfügt der Nockenträger 3 über eine Schaltkulisse 5, welche Bestandteil einer Stelleinrichtung ist. Mithilfe der Stelleinrichtung ist der Nockenträger 3 auf der Grundnockenwelle 2 in axialer Richtung verlagerbar.
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Die Ventilbetätigungsnocken dienen der Betätigung von nicht dargestellten Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine. Die Ventilbetätigungsnocken sind exzentrisch, wobei die Exzentrizitäten in unterschiedlichen Winkelpositionen beziehungsweise Umfangspositionen bezüglich des Nockenträgers 3 vorliegen und/oder unterschiedliche Erstreckungen in radialer Richtung und/oder Umfangsrichtung aufweisen. Zur Betätigung der Gaswechselventile wirken die Ventilbetätigungsnocken beispielsweise mit Rollenschlepphebeln des jeweiligen Gaswechselventils durch Anlagekontakt zusammen. Jedem der Rollenschlepphebel sind dabei die jeweiligen Ventilbetätigungsnocken der entsprechenden Nockengruppe zugeordnet. Ein erster der Rollenschlepphebel wird also von einem der Ventilbetätigungsnocken einer Nockengruppe und ein weiterer der Rollenschlepphebel von einem der Ventilbetätigungsnocken einer weiteren Nockengruppe betätigt.
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Bedingt durch die unterschiedliche Ausgestaltung der Ventilbetätigungsnocken untereinander stellt sich somit ein entsprechender Hub, Öffnungszeitpunkt und/oder eine Öffnungsdauer des Gaswechselventils ein. Durch axiales Verschieben des Nockenträgers 3 können die Rollenschlepphebel von dem Ventilbetätigungsnocken der jeweiligen Nockengruppe betätigbar sein. Der Nockenträger 3 wird beispielsweise in Abhängigkeit von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine verlagert, sodass stets derjenige Ventilbetätigungsnocken mit dem entsprechenden Rollenschlepphebel zu dessen Betätigung zusammenwirkt, mit welchem beispielsweise ein optimaler Wirkungsgrad beziehungsweise eine optimale Leistung der Brennkraftmaschine erzielbar ist.
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Die Verlagerung des Nockenträgers 3 wird mithilfe eines Aktuators 6 bewirkt, welcher ebenfalls Bestandteil der Stelleinrichtung ist und einen in radialer Richtung verlagerbaren Mitnehmer 7 aufweist. Zur Verlagerung des Nockenträgers 3 wird der Mitnehmer 7 in Richtung des Pfeils 8 in radialer Richtung derart verlagert, dass er in eine Kulissenbahn 9 der Schaltkulisse 5 eingreift. Die Kulissenbahn 9 ist derart ausgestaltet, dass die Schaltkulisse 5 bei einem Einbringen des Mitnehmers 7, während sich der Nockenträger 3 in der in 1 gezeigten ersten Axialposition befindet, in Richtung einer zweiten Axialposition gedrängt wird und umgekehrt. Die Drehrichtung der Grundnockenwelle 2 und damit des Nockenträgers 3 ist beispielhaft durch den Pfeil 10 angedeutet.
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Bei bekannten Ventiltrieben 1 tritt zu Beginn und am Ende der Verlagerung des Nockenträgers 3 eine stoßartige Belastung auf. Aus diesem Grund ist es nun vorgesehen, dass die Schaltkulisse 5 federnd an dem Nockenträger 3 gelagert ist, wobei dies in Richtung der Längsachse 4 vorgesehen ist. Zu diesem Zweck ist die Schaltkulisse 5 zwischen zwei Kulissenanschlägen 11 angeordnet, welche einen Abstand voneinander aufweisen, welcher größer ist als die Breite der Schaltkulisse 5. Die Schaltkulisse 5 ist also zwischen den Kulissenanschlägen 11 in axialer Richtung verlagerbar. Die Kulissenanschläge 11 werden beispielsweise von den Ventilbetätigungsnocken gebildet. Zwischen der Schaltkulisse 5 und jedem der Kulissenanschläge 11 ist nun ein elastisches Element 12 vorgesehen. Jedes dieser elastischen Elemente 12 drängt die Schaltkulisse 5 von dem entsprechenden Kulissenanschlag 11 fort, sodass die Schaltkulisse 5 mittig zwischen den Kulissenanschlägen 11 angeordnet ist, sofern keine Verlagerung der Schaltkulisse 5 durchgeführt wird.
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Wird nun, wie in 2 gezeigt, der Aktuator 6 in die Kulissenbahn 9 eingebracht, so wird zunächst, wie dies in 3 dargestellt ist, die Schaltkulisse 5 in Richtung eines der Kulissenanschläge 11 verlagert, wobei das zwischen der Schaltkulisse 5 und diesem Kulissenanschlag 11 vorliegende elastische Element 12 komprimiert wird. Entsprechend wird das jeweils andere elastische Element 12 entspannt. Während des Spannens des elastischen Elements 12 wird eine Vorspannung in Form einer Federkraft aufgebaut, welche auf den Nockenträger 3 wirkt. Die mittels des Aktuators 6 bewirkte Kraft in axialer Richtung auf die Schaltkulisse 5 wird somit mittelbar über das elastische Element 12 auf den Nockenträger 3 übertragen. Ist die Vorspannung ausreichend groß, so erfolgt die Verlagerung des Nockenträgers 3 gemäß der 4 in Richtung der Pfeile 13. Gegen Ende des Verlagerungsvorgangs bewirkt der Aktuator 6 ein Abbremsen des Nockenträgers 3. Dabei wird nun entweder lediglich das vorher komprimierte elastische Element 12 entspannt oder, darüber hinausgehend, das andere der elastischen Elemente 12 komprimiert, sodass insgesamt ein sanftes Abbremsen des Nockenträgers 3 erzielt wird. Nach dem Ausbringen des Mitnehmers 7 aus der Kulissenbahn 9, was in 6 durch den Pfeil 14 verdeutlicht ist, bewirken die zu diesem Zweck vorzugsweise zumindest hinsichtlich ihrer Federkonstante identisch ausgeführten elastischen Elemente 12 ein Rückstellen der Schaltkulisse 5 in die mittig zwischen den Kulissenanschlägen 11 gelegene Ausgangsposition.
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Die 7 zeigt eine Explosionsdarstellung des Nockenträgers 3. Es wird deutlich, dass dieser aus einem Basiselement 15 besteht, auf welches die Schaltkulisse 5, die elastischen Elemente 12 und Ventilbetätigungsnocken 16 und 17 einer ersten Nockengruppe 18 sowie Ventilbetätigungsnocken 19 und 20 einer zweiten Nockengruppe 21 aufgesteckt sind. Um diese Elemente drehfest an dem Basiselement 15 zu befestigen, ist ein Drehfixierelement 22 vorgesehen, welches zum einen in eine Aussparung 23 des Basiselements 15 und zum anderen in Drehfixierausnehmungen 24 der entsprechenden weiteren Elemente eingreift. Zusätzlich zu den bereits beschriebenen Elementen können auch Abstandsringe 25 auf dem Basiselement 15 vorliegen. Alternativ können die Abstandsringe auch als weitere Ventilbetätigungsnocken ausgeführt sein, die der jeweils nächstgelegenen Nockengruppe 18 beziehungsweise 21 zugeordnet sind.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Ventiltrieb
- 2
- Grundnockenwelle
- 3
- Nockenträger
- 4
- Längsachse
- 5
- Schaltkulisse
- 6
- Aktuator
- 7
- Mitnehmer
- 8
- Pfeil
- 9
- Kulissenbahn
- 10
- Pfeil
- 11
- Kulissenanschlag
- 12
- elastisches Element
- 13
- Pfeil
- 14
- Pfeil
- 15
- Basiselement
- 16
- Ventilbetätigungsnocken
- 17
- Ventilbetätigungsnocken
- 18
- erste Nockengruppe
- 19
- Ventilbetätigungsnocken
- 20
- Ventilbetätigungsnocken
- 21
- zweite Nockengruppe
- 22
- Drehfixierelement
- 23
- Aussparung
- 24
- Drehfixierausnehmung
- 25
- Abstandsring
