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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Ventiltrieb zum Umschalten des Hubs von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einer parallel zu einer Nockenwelle verlaufenden Schubstange.
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Stand der Technik
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Es sind bereits Ventiltriebsvorrichtungen bekannt, die über eine Einrichtung zum Umschalten des Hubs von Gaswechselventilen verfügen. Die Erfindung geht von einem Ventiltrieb aus, bei dem die Gaswechselventile, insbesondere Einlassventile und Auslassventile einer Brennkraftmaschine, mittels einer Nockenwelle direkt oder indirekt betätigt werden. Zum Umschalten des Ventilhubs sind auf der Nockenwelle benachbarte Nocken mit unterschiedlichen Nockenformen vorgesehen, die zu einer Nockeneinheit zusammengefasst sind. Durch eine axiale Verschiebung der Nockeneinheiten auf der Nockenwelle wird jeweils ein Nocken der Nockengruppe mit dem entsprechenden Gaswechselventil in Eingriff gebracht und der Hub der Gaswechselventile entsprechend der Nockenform erzeugt. Für die Verschiebung der Nockeneinheiten ist eine parallel zur Nockenwelle verlaufende Schubstange mit entsprechenden Elementen für den Eingriff auf die Nockeneinheiten vorgesehen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 061 353 A1 geht ein Ventiltrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine mit einem verschiebbaren Nockenträger mit einer über den Umfang verlaufenden Endlosnut hervor. Der Nockenträger ist drehfest, aber axial verschiebbar auf einer Nockenwelle gelagert und weist mehrere axial beabstandete Nocken mit unterschiedlichen Nockenerhebungen auf, die zu einer Nockengruppe für das jeweilige Gaswechselventil zusammengefasst sind. In die Endlosnut greift ein Eingriffselement kontinuierlich ein, welches entsprechend dem Verlauf der Endlosnut einen Hub in axialer Richtung vollzieht. Das Eingriffselement kann in bestimmten Positionen arretiert werden, wodurch dem Nockenträger eine axiale Bewegung aufgezwungen wird, um somit zwischen den Nocken zum Antreiben eines Gaswechselventils umzuschalten.
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Das beschriebene System benötigt jedoch viel Bauraum, so dass ein Einsatz nur bei Brennkraftmaschinen mit ausreichendem Zylinderabstand möglich ist. Weiterhin ist für jeden verschiebbaren Nockenträger ein Aktuator für die Arretierung des Eingriffselements notwendig, welcher zum richtigen Zeitpunkt aktiviert werden muss.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2009 030 373 A1 beschreibt einen Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine mit hubvariabler Gaswechselventilbetätigung. Die Nockenwelle des Ventiltriebs umfasst eine Trägerwelle und ein darauf drehfest, aber axial verschiebbares Nockenstück. Das Nockenstück beinhaltet Nockengruppen unmittelbar benachbarter Nocken mit unterschiedlichen Erhebungen. Endseitig des Nockenstücks ist eine Kulisse vorgesehen, um das Nockenstück gegenüber der Trägerwelle durch ein Einkoppeln eines Betätigungselementes axial zu verschieben. Das mit der Trägerwelle umlaufende Nockenstück ist in einem Nockenwellenlager gelagert.
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Die Verstellkulisse auf dem Nockenstück ist außerhalb des Nockenwellenlagers angeordnet, wodurch sich weiterer axialer Bauraum für jedes Nockenstück ergibt. Für jede Verstellrichtung ist ein separates Betätigungselement erforderlich. Dadurch werden für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine zwei Aktuatoren verwendet. Dieser erhöhte Steuerungsaufwand und Bauteilaufwand in Verbindung mit dem Raumbedarf stellt einen hauptsächlichen Nachteil der Vorrichtung dar.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 013 216 A1 geht ein Ventiltrieb mit hubvariabler Gaswechselventilbetätigung hervor. Der Ventiltrieb besteht aus einer Nockenwelle, welche aus einer Trägerwelle und darauf drehfest, aber axial verschiebbar gelagerten Nockenstücken aufgebaut ist. Auf dem Nockenstück befindet sich eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken mit unterschiedlichen Erhebungen sowie eine Axialkulisse. Das Nockenstück ist außerdem mit einem Lagerzapfen versehen und darüber in einem Nockenwellenlager gelagert. Der Lagerzapfen und die benachbarte Axialkulisse werden vom Nockenwellenlager überlappt, so dass das Betätigungselement zur Verschiebung des Nockenstücks am Nockenwellenlager positioniert ist und radial durch die Lagerstelle zum Eingriff in die Axialkulisse verläuft.
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Da die Axialkulisse und auch der Lagerzapfen vom Nockenwellenlager überlappt werden, muss die Lagerstelle besonders breit ausgeführt werden, um die erforderliche Lagerfläche entsprechend der Lagerbelastungen bereitzustellen. Dies führt zu einem erhöhten Bauraumbedarf. Das System kann nur in Brennkraftmaschinen mit ausreichend großem Ventilabstand oder Zylinderabstand verwendet werden. Außerdem ist auch bei diesem System jeweils ein Betätigungselement für jedes Nockenstück erforderlich. Dies steht dem aktuellen Entwicklungsziel kompakter Brennkraftmaschinen entgegen.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 022 145 A1 wird ein umschaltbarer Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine beschrieben. Die Nockenwelle des Ventiltriebs umfasst eine Antriebswelle mit mindestens einem darauf drehfest, aber axial verschiebbar angeordneten Nockenstück mit einer Gruppe axial benachbarter Nocken. Die Nocken weisen dabei unterschiedliche Nockenerhebungen auf. Das Nockenstück ist gemeinsam mit der Antriebswelle und mit einer zusätzlichen koaxial auf dem Nockenstück gelagerten Lagerbuchse in einer Nockenwellenlagerstelle radial abgestützt. Die zusätzliche Lagerbuchse ist gemeinsam mit dem Nockenstück gegenüber der Nockenwellenlagerstelle und der Antriebswelle axial verschiebbar, wobei die Lagerbuchse in der Nockenwellenlagerstelle gegen Verdrehen gesichert ist. Dementsprechend sind also auf der Antriebswelle das Nockenstück und die Lagerbuchse übereinander koaxial angeordnet und in der Nockenwellenlagerstelle gelagert. In der Lagerbuchse ist ein Stift parallel zur Drehachse der Antriebswelle positioniert, der eine oszillierende Bewegung durch eine im umlaufenden Nockenstück eingebrachte Führung mit axialem Hub vollzieht. Zur Einleitung eines Schaltvorgangs wird der Stift durch eine Feststelleinrichtung an der entsprechenden Stelle kurzzeitig axial fixiert. Dadurch stützt sich das Nockenstück auf dem fixierten Stift ab. Dem Nockenstück wird eine axiale Bewegung aufgezwungen und ein Schaltvorgang eingeleitet.
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Als Nachteil dieser Vorrichtung zum Umschalten des Hubs ist die aufwändige Steuerung und der damit verbundene Bauteilaufwand zu nennen. Für jede Umschaltvorrichtung eines Nockenstücks ist eine separate Feststelleinrichtung vorzusehen, welche einen Schaltvorgang zum richtigen Zeitpunkt einleiten muss. Der Stift führt außerdem zu hohen Belastungen in der Führungsnut während des Schaltvorgangs. Weiterhin ist am Stift mit hohem Verschleiß zu rechnen, da der Stift für jeden Schaltvorgang geklemmt werden muss.
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Das United States Patent
US 5,129,407 A beschreibt eine Verstellvorrichtung für eine Nockenwelle, mit der die Nockenwelle axial verschoben werden kann. Durch die Verschiebung der Nockenwelle können unterschiedliche Nocken mit unterschiedlichen Nockenerhebungen für die Betätigung der Gaswechselventile positioniert werden. Zur Verschiebung der Nockenwelle ist eine Axialkulisse vorgesehen, mit der eine axiale Verschiebung in beide Richtungen ermöglicht wird. Dazu besitzt die Kulisse zwei spiegelsymmetrisch über den Umfang verlaufende Konturen, wobei jede der beiden Konturen den für die Verstellung erforderlichen Hub zum Verstellen der Nockenwelle erzeugt. Zwischen den beiden Konturen ist ein Bereich vorgesehen, in dem der dauerhaft im Eingriff stehende Verstellpin ohne Kontakt zu einer der beiden umlaufenden Konturen positioniert werden kann. Zum Einleiten eines Schaltvorgangs wird der Verstellpin in axialer Richtung verschoben und festgehalten, um in Kontakt mit einer der beiden Konturen zu treten und die axiale Verstellung der Nockenwelle in die entsprechende Richtung einzuleiten.
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Die Nockenwellen und die darauf positionierten Nocken von modernen Brennkraftmaschinen mit mehreren Zylindern ermöglichen jedoch keine gleichzeitige Verstellung der Nocken und somit auch keine Verschiebung der gesamten Nockenwelle, da sich keine Überschneidung der Nockengrundkreise zwischen den verschiedenen Zylindern ergibt. Außerdem bedingt die Kulisse eine Vergrößerung der Baulänge der Nockenwelle.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2009 039 733 A1 ist ein Ventiltrieb für Gaswechselventile einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem auf einer Nockenwelle eine Nockeneinheit mit mehreren nebeneinander angeordneten unterschiedlichen Nockenbahnen drehfest und axial verschiebbar gelagert ist und die Nockeneinheit mittels eines Verstellmittels axial verschiebbar ist. Das Verstellmittel umfasst ein innerhalb der Nockenwelle beweglich gelagertes Verstellelement zur Übertragung der Verstellbewegung auf die Nockeneinheit. Dazu weist das Verstellelement auf seinem Umfang ein Laufbahnprofil auf, welches mit einem Koppelelement zusammenwirkt, wobei das Koppelelement weiterhin durch eine Ausnehmung in der Nockenwelle mit der Nockeneinheit verbunden ist. Durch eine Bewegung des Verstellelementes relativ zur Nockenwelle wird eine axiale Verschiebung der Nockeneinheit auf der Nockenwelle bewirkt. Als Ausgestaltungsvariante wird beschrieben, dass das Verstellelement drehbar in der Nockenwelle gelagert ist und dass sich das Laufbahnprofil im Wesentlichen in Umfangsrichtung auf dem Verstellelement erstreckt. Der Wechsel zwischen zwei Nockenbahnen auf der Nockeneinheit für die Betätigung der Gaswechselventile wird durch einen axialen Versatz im Laufbahnprofil erreicht, der sich durch eine relative Verdrehung des Verstellelementes gegenüber der Nockenwelle ergibt.
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Aus der Patentschrift
DE 10 2008 061 440 B3 geht eine Betätigung einer Ventilhubumschaltung hervor, bei welcher parallel zu einer Nockenwelle mit axial verschiebbaren Nockenpaketen eine durch die Nockenwelle verdrehbare Verstellwelle angeordnet ist. Auf der Verstellwelle sind zwei Verstelleinrichtungen drehfest und dazwischen zwei Mitnehmer axial verschiebbar angeordnet. Die Mitnehmer sind zur Ventilumschaltung fest mit einer axial verschiebbaren Schaltkulisse verbunden. Die Stirnseiten der beiden Mitnehmer sind jeweils mit einer zueinander um 180° versetzt angeordneten Kontur versehen, die jeweils über einen an der Verstelleinrichtung befestigten Führungsstift in Wirkverbindung stehen. Durch Verdrehen der Verstellwelle werden durch die auf der Kontur gleitenden Führungsstifte die Mitnehmer auf der Verstellwelle axial verschoben.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2010 021 903 A1 betrifft einen Ventiltrieb zur Betätigung von Gaswechselventilen. Mittels einer parallel zur Nockenwelle axial verschiebbaren Schaltstange wird eine mit der Schaltstange fest verbundene Schaltkulisse axial verschoben. Über eine Verdrehsicherung wird eine Rotation der Schaltstange ausgeschlossen. Die Ventilhubumschaltung erfolgt über eine axiale Verschiebung eines Nockenträgers, welcher mit der Schaltkulisse in Wirkverbindung steht.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2009 037 269 A1 lehrt einen Ventiltrieb für Verbrennungskraftmaschinen mit einer Nockenwelle, welche aus einzelnen gegeneinander axial verschiebbaren Nockenhülsen mit mehreren unterschiedlichen Nockenprofilen gebildet wird. Dazu sind Verzahnungen der jeweils benachbarten Nockenhülsen ineinander eingreifend ausgebildet. Eine im Inneren der Nockenhülsen mitdrehende Schaltwelle ist jeweils über einen Schaltpin mit der jeweiligen Nockenhülse wirkverbunden. Der Schaltpin wird dazu in einer am inneren Umfang jeder Nockenhülse angeordneten umlaufenden Schaltkontur gleitend geführt. Durch eine Relativverdrehung der Schaltwelle gegenüber den Nockenhülsen wird ein Schaltvorgang ausgelöst.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2007 016 977 A1 beschreibt eine Verstellvorrichtung der Hubfunktion eines nockenbetätigten Ventils. Dazu ist eine Hohlwelle mit wenigstens einer drehfest, jedoch axial verschiebbar auf der Hohlwelle angeordneten Hülse mit wenigstens zwei axial unmittelbar benachbarten unterschiedlichen Nockenprofilen zur Betätigung des Ventils über ein zusätzliches Abtastglied vorgesehen, welche mittels einer Verstelleinrichtung axial verschiebbar sind. Durch die axiale Verschiebung mit der Verstelleinrichtung wird jeweils eines der unterschiedlichen Nockenprofile mit dem Abtastglied in Wirkverbindung gebracht, wobei die Verstelleinrichtung zumindest teilweise innerhalb der Hohlwelle angeordnet ist und die auf der Hohlwelle angeordnete Hülse von innerhalb der Hohlwelle aus verschiebbar ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 195 20 117 A1 geht ein Ventiltrieb hervor, bei welchem ein Nocken zur Realisierung unterschiedlicher Ventilerhebungen axial auf der Nockenwelle verschoben werden kann, wobei das für die Verschiebung erforderliche Verstellorgan im Inneren der Nockenwelle angeordnet ist. Die Übertragung der axialen Verschiebung vom Verstellorgan auf den Nocken erfolgt mittels eines im Inneren der Nockenwelle geführten Federelements, welches als Energiespeicher die Bewegung des Verstellorganes gedämpft und/oder zeitversetzt auf den axial verschiebbaren Nocken überträgt.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung für einen Ventiltrieb zum Umschalten des Hubs von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, wobei der benötigte Bauraum, der technische Aufwand und die mechanischen Belastungen der Verstellvorrichtung reduziert werden sollen.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 6 gelöst.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Vorrichtung bereit, mit welcher der Hub von Gaswechselventilen eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine in besonders vorteilhafter Weise während des Betriebs der Brennkraftmaschine variiert werden kann.
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Dazu ist eine Nockenwelle des Ventiltriebes aus einer als Hohlwelle ausgestalteten Trägerwelle und wenigstens einer auf der Trägerwelle gelagerten Nockeneinheit aufgebaut. Die wenigstens eine Nockeneinheit ist mit der Trägerwelle drehfest, aber axial verschiebbar verbunden. Auf der Nockeneinheit befindet sich wenigstens eine Nockengruppe von axial benachbarten Nocken mit einem identischen Grundkreis, aber mit unterschiedlichen Nockenkonturen und/oder unterschiedlichen Nockenerhebungen. Wenigstens einer Nockengruppe ist ein Gaswechselventil zugeordnet, welches als Auslassventil oder Einlassventil Verwendung findet. Das der Nockengruppe zugeordnete Gaswechselventil befindet sich abwechselnd mit einem der verschiedenen Nocken der Nockengruppe in Wirkverbindung. Durch eine axiale Verschiebung der Nockeneinheit gegenüber dem Gaswechselventil ist jeweils ein Nocken der zugeordneten Nockengruppe mit dem Gaswechselventil in Wirkkontakt bringbar. Die Verschiebung erfolgt, wenn sich das zugeordnete Gaswechselventil mit dem jeweiligen Nocken im Bereich des Grundkreises in Wirkkontakt befindet.
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Die Nockeneinheit wird mittels einer die Nockeneinheit wenigstens teilweise umgreifenden Umschaltkulisse und einer koaxial zur Trägerwelle angeordneten Schubstange axial verschoben. Die Umschaltkulisse ist in einem Gehäuse für eine erste und wenigstens eine weitere Schaltstellung axial verschiebbar und drehfest gelagert und weist wenigstens eine Schaltkontur und wenigstens eine Stützkontur auf. Die Schubstange ist innerhalb der Trägerwelle axial verschiebbar gelagert und drehfest mit der Trägerwelle verbunden. Dadurch ergibt sich eine koaxial von innen nach außen aufeinanderfolgende Anordnung von Schubstange, Trägerwelle, Nockeneinheit und Umschaltkulisse, wobei alle benachbarten Elemente zueinander axial verschiebbar gelagert sind. Die Umschaltkulisse umfasst in Umfangsrichtung dabei nur einen Teilbereich der Nockenwelle. An wenigstens einem Ende der Schubstange sind Einrichtungen zur axialen Verschiebung und zur axialen Arretierung der Schubstange vorgesehen. Durch diese Einrichtungen kann die Schubstange von einer ersten Position in wenigstens eine weitere Position axial verschoben werden und in der jeweiligen Position axial arretiert werden.
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Für wenigstens eine axial verschiebbare Nockeneinheit sind wenigstens drei Pins vorgesehen, wobei ein erster Pin als Umschaltpin mit der Schubstange ortsfest verbunden ist und durch Aussparungen in Trägerwelle und Nockeneinheit mit der wenigstens einen Schaltkontur der Umschaltkulisse in Wirkkontakt bringbar ist. Ein zweiter Pin als Stützpin ist mit der Schubstange verbunden und durch Aussparungen in Trägerwelle und Nockeneinheit mit der wenigstens einen Stützkontur der Umschaltkulisse in Wirkkontakt bringbar. Ein dritter Pin ist als Schiebepin mit der Nockeneinheit ortsfest verbunden und mit der Schaltkontur der Umschaltkulisse in Wirkkontakt bringbar. Die Aussparungen in Trägerwelle und Nockeneinheit sind dabei so gestaltet, dass eine axiale Verschiebung von Schubstange, Trägerwelle und Nockeneinheit zueinander ermöglicht wird.
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Die wenigstens drei Pins sind derart zueinander angeordnet, dass in einer ersten Wirkkette ein durchgehender Wirkkontakt von Schubstange mit Umschaltpin zu Umschaltkulisse herstellbar ist und in wenigstens einer weiteren Wirkkette ein durchgehender Wirkkontakt von Schubstange mit Stützpin zu Umschaltkulisse, von Umschaltkulisse zu Schiebepin und dementsprechend zur Nockeneinheit herstellbar ist.
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Der Umschaltpin ist auf der Schubstange derart angeordnet, dass der Umschaltpin durch die Drehung der Nockenwelle in die Schaltkontur der nicht mitdrehenden Umschaltkulisse eingreifen kann, um eine axiale Verschiebung der Umschaltkulisse gegenüber der Schubstange zu bewirken und einen Umschaltvorgang zwischen den unterschiedlichen Nocken vorzubereiten. Während des Wirkkontakts der ersten Wirkkette, also während der axialen Verschiebung der Umschaltkulisse befindet sich der Schiebepin außerhalb der Schaltkontur und der Stützpin außerhalb der Stützkontur.
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Der Schiebepin auf der Nockeneinheit und der Stützpin auf der Schubstange sind für die weitere Wirkkette in vorteilhafter Weise derart angeordnet, dass diese zeitgleich in die Schaltkontur und in die Stützkontur eingreifen. Der Schiebepin und der Stützpin sind zueinander axial beabstandet angeordnet, wobei der axiale Abstand durch die Verschiebung der Schubstange und/oder durch die Verschiebung der Nockeneinheit verändert wird. Der Schiebepin und der Stützpin sind zum Umschaltpin in Umfangsrichtung derart beabstandet angeordnet, dass der Schiebepin dem Umschaltpin bei der Drehung der Nockenwelle für den Eingriff in die Umschaltkulisse nachfolgt. Der Schiebepin und der Stützpin sind also zum Umschaltpin entgegengesetzt zur Drehrichtung der Nockenwelle beabstandet angeordnet, so dass diese erst dann in die Umschaltkulisse eingreifen, wenn der Umschaltpin die Schaltkontur verlassen hat.
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Die Schaltkontur der Umschaltkulisse ist bezogen auf die Nockenwelle als eine in Umfangsrichtung axial veränderliche Kontur ausgeführt. Wird der Umschaltpin oder der Schiebepin mit der Schaltkontur in Wirkkontakt gebracht, so findet eine relative, axiale Verschiebung von Umschaltpin oder Schiebepin zur Umschaltkulisse statt. Dazu ist die Schaltkontur so ausgebildet, dass durch die Drehung der Nockenwelle der jeweilige Pin durch die Schaltkontur der nicht mitdrehenden Umschaltkulisse fährt und dabei ein axialer Hub zwischen dem jeweiligen Pin und der Umschaltkulisse erzeugt wird. In vorteilhafter Weise sind zwei spiegelsymmetrisch gegenüberliegende Schaltkonturen auf der Umschaltkulisse vorgesehen, um eine axiale Verschiebung in beide Richtungen von Umschaltkulisse und Nockeneinheit gegenüber der Trägerwelle zu ermöglichen. Eine erste und eine zweite Schaltkontur sind demnach derart angeordnet, dass sich der senkrechte Abstand der Schaltkonturen zueinander in Drehrichtung der Nockenwelle verringert. Der geringste Abstand ist mindestens so groß, dass der Umschaltpin beziehungsweise der Schiebepin ungehindert zwischen den beiden Schaltkonturen durchfahren kann, ohne dabei eine axiale Verschiebung hervorzurufen.
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Die Stützkontur der Umschaltkulisse ist bezogen auf die Nockenwelle als eine in Umfangsrichtung axial konstant verlaufende Kontur ausgeführt. Wird der Stützpin mit der Stützkontur in Wirkkontakt gebracht, findet keine relative Verschiebung von Stützpin beziehungsweise Schubstange und Umschaltkulisse statt. In vorteilhafter Weise sind zwei spiegelsymmetrisch gegenüberliegende Stützkonturen auf der Umschaltkulisse vorgesehen, um eine axiale Verschiebung in beide Richtungen von Umschaltkulisse und Nockeneinheit gegenüber der Trägerwelle beziehungsweise der Schubstange abzustützen. Eine erste und eine zweite Stützkontur sind demnach derart angeordnet, dass der senkrechte Abstand der Stützkonturen zueinander konstant bleibt und wenigstens so groß ist, dass der Stützpin ungehindert zwischen den beiden Stützkonturen durchfahren kann.
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Dementsprechend stellt die Erfindung eine Vorrichtung für einen Ventiltrieb zum Umschalten des Hubs von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine bereit, die mit einer in einem Gehäuse drehbar gelagerten Nockenwelle, welche aus einer koaxial von innen nach außen aufeinanderfolgenden Anordnung von wenigstens einer Schubstange, wenigstens einer Trägerwelle und wenigstens einer mit wenigstens zwei unterschiedlichen Nocken und wenigstens einem Schiebepin versehenen Nockeneinheit aufgebaut ist, wobei Schubstange, Trägerwelle und Nockeneinheit zueinander axial verschiebbar und drehfest gelagert sind und die Nockenwelle wenigstens teilweise von wenigstens einer in dem Gehäuse drehfest und axial verschiebbar gelagerten Umschaltkulisse umfasst wird. Mit der Schubstange ist wenigstens ein Umschaltpin und wenigstens ein Stützpin ortsfest verbunden, wobei sich der Umschaltpin und der Stützpin in Aussparungen wenigstens durch die Trägerwelle und die Nockeneinheit hindurch erstrecken und der Umschaltpin sowie der Schiebepin mit wenigstens einer Schaltkontur auf der Umschaltkulisse und der Stützpin mit wenigstens einer Stützkontur auf der Umschaltkulisse durch eine axiale Verschiebung der Schubstange in Wirkkontakt bringbar ist, wobei der Schiebepin und der Stützpin derart angeordnet sind, dass zeitgleich der Schiebepin in die Schaltkontur und der Stützpin in die Stützkontur eingreifen und der Schiebepin und der Stützpin zum Umschaltpin in Umfangsrichtung derart beabstandet angeordnet sind, dass der Schiebepin dem Umschaltpin bei der Drehung der Nockenwelle für den Eingriff in die Umschaltkulisse nachfolgt. Die Umschaltkulisse verfügt über eine erste Schaltkontur, eine der ersten Schaltkontur gegenüberliegende zweite Schaltkontur, eine erste Stützkontur und eine der ersten Stützkontur gegenüberliegende zweite Stützkontur. Die Schaltkontur ist bezogen auf die Nockenwelle als eine in Umfangsrichtung axial veränderliche Kontur ausgeführt und erzeugt demnach durch die Drehung der Nockenwelle gegenüber der Umschaltkulisse einen axialen Hub zwischen dem Umschaltpin oder Schiebepin und der Umschaltkulisse. Die Stützkontur bezogen auf die Nockenwelle ist als eine in Umfangsrichtung axial unveränderliche Kontur ausgeführt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Schaltkonturen und die Stützkonturen auf der Umschaltkulisse nebeneinander angeordnet. Der Umschaltpin ist auf der Nockenwelle zum Schiebepin und zum Stützpin in Umfangsrichtung und zum Stützpin axial beabstandet angeordnet.
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Für Brennkraftmaschinen mit mehreren Gaswechselventilen für jeden Zylinder kann jedem Gaswechselventil eine Nockengruppe zugeordnet sein. In vorteilhafter Weise ist zumindest einem Einlassventil eine Nockengruppe zugeordnet. Bei Brennkraftmaschinen mit mehreren Einlassventilen für jeden Zylinder können die Nockengruppen des jeweiligen Einlassventils zu einer gemeinsamen Nockeneinheit zusammengefasst sein, wobei eine synchrone Hubumschaltung zwischen den verschiedenen Nocken mit verschiedenen Nockenkonturen beziehungsweise Nockenerhebungen des jeweilig zugeordneten Gaswechselventils erfolgen kann. Weiterhin können die Nockengruppen von nebeneinander liegenden Zylindern auf einer gemeinsamen Nockeneinheit angeordnet sein. So befinden sich zum Beispiel für eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern und zwei Einlassventilen in jedem Zylinder insgesamt vier Nockengruppen auf einer Nockeneinheit. Um eine Umschaltung für alle Zylinder zu ermöglichen, sind dann insgesamt zwei Nockeneinheiten vorzusehen. Die Nocken der jeweilig zugeordneten Nockengruppen, welche zeitgleich mit den Gaswechselventilen in Kontakt sind, können gleiche Nockenkonturen beziehungsweise Nockenerhebungen für einen symmetrischen Ventilhub aufweisen oder auch unterschiedliche Nockenkonturen beziehungsweise Nockenerhebungen aufweisen, um einen asymmetrischen Ventilhub zu erzeugen. In vorteilhafter Weise kann in der Nockengruppe auch ein Nocken ohne Nockenerhebung zur Realisierung einer Ventilabschaltung vorgesehen sein.
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Für einen Umschaltvorgang zwischen den Nocken der Nockeneinheit während der Drehung der Nockenwelle in eine erste Richtung wird die erste Wirkkette erzeugt. Die Umschaltkulisse wird ausgehend von einer Neutralstellung, bei welcher der Umschaltpin und der Schiebepin ungehindert zwischen den beiden Schaltkonturen durchfahren können, in die erste Schaltstellung verschoben. Dafür wird durch die an der Schubstange vorgesehenen Einrichtungen eine axiale Verschiebung der Schubstange eingeleitet und der Umschaltpin zusammen mit dem Stützpin axial verschoben. Der Umschaltpin fährt bei weiterer Drehung der Nockenwelle in die Umschaltkulisse ein und tritt mit der ersten Schaltkontur der Umschaltkulisse in Wirkkontakt. Durch den Verlauf der Schaltkontur wird die Umschaltkulisse axial verschoben, da die Schubstange über die Einrichtungen zur axialen Arretierung der Schubstange nach der abgeschlossenen axialen Verschiebung abgestützt wird. Die axiale Verschiebung der Umschaltkulisse entspricht dabei dem axialen Hub der Schaltkontur, welcher durch den Wirkkontakt zwischen Schaltkontur und Umschaltpin erzeugt wird.
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Sobald die Umschaltkulisse in die erste Schaltstellung axial verschoben ist, wird die erste Wirkkette aufgehoben und die weitere Wirkkette hergestellt. Durch die weitere Drehung der Nockenwelle greift der Schiebepin in die Umschaltkulisse ein und es wird der Wirkkontakt zwischen Schiebepin und der ersten Schaltkontur hergestellt. Zeitgleich greift der Stützpin in die Umschaltkulisse ein und es wird der Wirkkontakt zwischen Stützpin und erster Stützkontur hergestellt. Durch die weitere Verdrehung der Nockenwelle und den Verlauf der Schaltkontur wird die Nockeneinheit mit dem Schiebepin axial verschoben, da die Umschaltkulisse über den Stützpin mit der Schubstange axial arretiert ist. Die axiale Verschiebung der Nockeneinheit entspricht dabei dem axialen Hub der Schaltkontur, welcher durch den Wirkkontakt zwischen Schaltkontur und Schiebepin erzeugt wird.
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Es wird ein Verfahren zum Umschalten des Hubs von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt, bei welchem durch die axiale Verschiebung der Schubstange während der Drehung der Nockenwelle eine erste Wirkkette mit einem durchgehenden Wirkkontakt von Schubstange mit Umschaltpin zu Umschaltkulisse hergestellt und die Umschaltkulisse gegenüber der Trägerwelle axial verschoben wird, und nach der Verschiebung der Umschaltkulisse die erste Wirkkette aufgehoben wird und eine weitere Wirkkette mit einem durchgehenden Wirkkontakt von Schubstange mit Stützpin zu Umschaltkulisse, von Umschaltkulisse zu Schiebepin und dementsprechend zur Nockeneinheit hergestellt und die Nockeneinheit gegenüber der Trägerwelle verschoben wird.
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Dafür wird während der Drehung der Nockenwelle nacheinander ein Arretieraktuator aus einer Arretierkontur auf der Schubstange ausgefahren und ein Verstellaktuator in eine Verstellkontur auf der Schubstange eingefahren, worauf die Schubstange axial verschoben wird. Nach Beendigung der Verschiebung wird der Verstellaktuator aus der Verstellkontur ausgefahren und der Arretieraktuator in die Arretierkontur eingefahren. Der Umschaltpin wirkt dann auf die Schaltkontur der Umschaltkulisse ein und bewirkt eine Verschiebung der Umschaltkulisse. Anschließend wirkt der Schiebepin auf die Schaltkontur und der Stützpin auf die Stützkontur ein und es erfolgt eine Verschiebung der Nockeneinheit, womit die Umschaltung zwischen zwei benachbarten Nocken abgeschlossen ist.
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Für einen Umschaltvorgang in eine weitere, der ersten Schaltrichtung entgegengesetzten Schaltrichtung wird die erste Wirkkette erzeugt, indem die Umschaltkulisse derart verschoben wird, dass der Umschaltpin mit der zweiten Schaltkontur in Wirkkontakt tritt und die weitere Wirkkette wird erzeugt, indem der Schiebepin mit der zweiten Schaltkontur und der Stützpin mit der zweiten Stützkontur in Wirkkontakt tritt.
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Durch die entsprechende Ausgestaltung der Einrichtungen zur axialen Verschiebung und der axialen Arretierung der Schubstange kann zwischen wenigstens zwei Nocken der Nockeneinheit umgeschaltet werden. Erfindungsgemäß vorteilhaft sind diese Einrichtungen als Aktuatoren mit einem Pin ausgeführt, welche in Arretierkonturen oder Verstellkonturen auf der Schubstange eingreifen. Für jede axiale Position der Schubstange ist eine separate Arretierkontur vorgesehen, welche als geschlossene umlaufende Nut ohne axialen Hub ausgeführt ist. Wenigstens ein Arretieraktuator greift in die entsprechend der Position der Schubstange zugeordnete Arretierkontur ein, um die Schubstange zu arretieren beziehungsweise abzustützen. Die Verstellkontur ist ebenfalls als geschlossene, umlaufende Nut ausgeführt, wobei die Nut einen wechselnden axialen Hub erzeugt. Für Mehrfachschaltungen ist ein mehrfach abgestufter Hubverlauf vorgesehen. Ein Verstellaktuator greift in die Verstellkontur ein, um eine axiale Verschiebung der Schubstange zu erzeugen. Durch die Anzahl der Arretierkonturen, die Anzahl von Verstellkonturen oder Ausführung einer einzigen Verstellkontur kann die Schubstange zwischen wenigstens zwei oder mehr Positionen verschoben werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit zwischen wenigstens zwei oder mehr Nocken einer Nockeneinheit umzuschalten.
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Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Hubumschaltung
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. In den dazugehörigen Figuren zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen Ventiltrieb zum Umschalten des Hubs von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine,
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2: eine schematische Darstellung der Vorrichtung als Frontansicht,
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3: eine erste schematische Schnittdarstellung der Vorrichtung,
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4: eine schematische Darstellung der Vorrichtung als Seitenansicht und
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5: eine zweite schematische Schnittdarstellung der Vorrichtung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, dargestellt in 1–5, besteht aus einer Nockenwelle, welche aus einer koaxialen Anordnung einer Schubstange 1, einer Trägerwelle 2 und einer Nockeneinheit 3 aufgebaut ist. Die Trägerwelle 2 ist als Hohlwelle ausgeführt, so dass diese die Schubstange 1 drehfest aber axial verschiebbar aufnehmen kann. Die Nockeneinheit 3 ist auf der Trägerwelle 2 drehfest aber axial verschiebbar angeordnet und verfügt über zwei Nockengruppen 4, 5 von jeweils zwei unterschiedlichen Nocken 6, 7, 8, 9.
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Durch eine Umschaltkulisse 10 mit Schaltkonturen 11, 12 und Stützkonturen 13 14 wird jeweils ein erster Nocken 6, 8 oder ein zweiter Nocken 7, 9 der jeweiligen Nockengruppe 4, 5 zu einem zugeordneten Gaswechselventil 15, 16 ausgerichtet, um das Gaswechselventil 15, 16 entsprechend einer Nockenerhebung auf den Nocken 6, 7, 8, 9 zu betätigen. Die Umschaltkulisse 10 umgreift die Nockenwelle nur teilweise und ist axial verschiebbar und drehfest in einem nicht dargestellten Gehäuse gelagert. Der erste Nocken 6, 8 jeder Nockengruppe 4, 5 verfügt über eine Nockenkontur mit einer Nockenerhebung, mit welcher das Gaswechselventil 15, 16 betätigt wird und dementsprechend einen Hub des Gaswechselventils 15, 16 erzeugt. Der zweite Nocken 7, 9 der jeweiligen Nockengruppe 4, 5 verfügt über eine Nockenkontur ohne Nockenerhebung, so dass das zugeordnete Gaswechselventil 15, 16 beim Drehen der Nockenwelle geschlossen bleibt.
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Für die Verschiebung der Nockeneinheit 3 durch die Umschaltkulisse 10 sind drei Pins vorgesehen. Ein mit der Schubstange 1 fest verbundener Umschaltpin 17, ein fest mit der Nockeneinheit 3 verbundener Schiebepin 18 und ein fest mit der Schubstange 1 verbundener Stützpin 19. Der Umschaltpin 17 und der Stützpin 19 sind in Aussparungen 20, 21, 22, 23 in Trägerwelle 2 und Nockeneinheit 3 positioniert, so dass diese beim Drehen der Nockenwelle mit den Schaltkonturen 11, 12 und Stützkonturen 13 14 in der Umschaltkulisse 10 in Wirkkontakt treten können. Der Schiebepin 18 und der Stützpin 19 sind zueinander axial beabstandet und in Umfangsrichtung zueinander auf gleicher Position angeordnet. Der Umschaltpin 17 ist zum Schiebepin 18 und Stützpin 19 in Umfangsrichtung derart beabstandet angeordnet, dass bei der Drehung der Nockenwelle entweder der Umschaltpin 17 oder der Schiebepin 18 und der Stützpin 19 in die Umschaltkulisse 10 eingreifen.
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Zur axialen Arretierung der Schubstange 1 ist ein Arretieraktuator 24 vorgesehen, welcher in einer entsprechenden Position der Schubstange 1 in eine zugeordnete Arretierkontur 25 eingreift. Die Arretierkontur 25 ist als eine umlaufende geschlossene Nut ohne axialen Hub ausgeführt. Zur axialen Verschiebung der Schubstange 1 ist eine Verstellkontur 27 vorgesehen, welche als geschlossene umlaufende Nut mit wechselndem axialem Hub ausgeführt ist. Ein Verstellaktuator 26 greift in die Verstellkontur 27 ein, um eine axiale Verschiebung der Schubstange 1 zu erzeugen.
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Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Hubumschaltung
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Beispielhaft wird hier eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens unter Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
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Zur Einleitung einer Umschaltung zwischen zwei Nocken 6, 7, 8, 9 wird eine axiale Verschiebung der Schubstange 1 während der Drehung der Nockenwelle vorgenommen. Dazu wird die axiale Arretierung der Schubstange 1 aufgehoben, indem der Arretieraktuator 24 aus der Arretierkontur 25 herausbewegt wird. Die Schubstange 1 ist nun axial verschiebbar und wird durch einen entsprechenden Eingriff des Verstellaktuators 26 in die Verstellkontur 27 verschoben. Der Eingriff des Verstellaktuators 26 muss in jener Drehphase der Schubstange 1 erfolgen, bei welcher die Verstellkontur 27 einen axialen Hub in die Richtung der durchzuführenden Verstellrichtung erzeugt.
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Durch die axiale Verschiebung werden der Umschaltpin 17 und der Stützpin 19 relativ zur Trägerwelle 2 verschoben. Nach der axialen Verschiebung der Schubstange 1 wird diese wieder durch den Arretieraktuator 24 und der entsprechenden Arretierkontur 25 axial arretiert. Durch die Stellung des Umschaltpins 17 und der Umschaltkulisse 10 wird zuerst die Umschaltkulisse 10 durch den Umschaltpin 17 relativ zur Trägerwelle 2 verschoben. Dazu greift der Umschaltpin 17 in die Umschaltkulisse 10 ein und tritt mit der Schaltkontur 11, 12 in Wirkkontakt und verschiebt die Umschaltkulisse 10 entsprechend dem Hub der Schaltkontur 11, 12. Die Verschiebung der Umschaltkulisse 10 wird über den Umschaltpin 17 und über die Schubstange 1 in dem Arretieraktuator 24 abgestützt.
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Darauf folgend wird durch die weitere Drehung der Nockenwelle die Nockeneinheit 3 durch den Schiebepin 18 und den Stützpin 19 relativ zur Trägerwelle 2 verschoben. Dazu greift der Schiebepin 18 in die Schaltkontur 11, 12 der Umschaltkulisse 10 und der Stützpin 19 in die Stützkontur 13, 14 ein. Die Umschaltkulisse 10 ist über den Stützpin 19 und über die Schubstange 1 durch den Arretieraktuator 24 axial arretiert. Der Schiebepin 18 tritt mit der Schaltkontur 11, 12 in Wirkkontakt und verschiebt die Nockeneinheit 3 entsprechend dem Hub der Schaltkontur 11, 12 gegenüber der Trägerwelle 2. Der Umschaltpin 17, der Schiebepin 18 und der Stützpin 19 befinden sich nun wie zu Beginn des Umschaltvorgangs in einer Position, in welcher die Umschaltkulisse 10 ungehindert durchfahren werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schubstange
- 2
- Trägerwelle
- 3
- Nockeneinheit
- 4, 5
- Nockengruppe
- 6, 8
- erster Nocken
- 7, 9
- zweiter Nocken
- 10
- Umschaltkulisse
- 11, 12
- Schaltkontur
- 13, 14
- Stützkontur
- 15, 16
- Gaswechselventil
- 17
- Umschaltpin
- 18
- Schiebepin
- 19
- Stützpin
- 20, 21, 22, 23
- Aussparungen
- 24
- Arretieraktuator
- 25
- Arretierkontur
- 26
- Verstellaktuator
- 27
- Verstellkontur
