DE102012217297A1

DE102012217297A1 - Schiebenockensystem mit EAP-Aktuator

Info

Publication number: DE102012217297A1
Application number: DE201210217297
Authority: DE
Inventors: Klaus Daut; Christoph Ross
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2014-03-27

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Schiebenockensystem einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Keilwelle (8) und ein Nockenstück (7), das drehfest und axialverschiebbar auf der Keilwelle gelagert ist, sowie einen Aktuator zur Verschiebung des Nockenstücks. Der Aktuator ist ein EAP-Aktuator (5, 6), der ein sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung dehnendes elektroaktives Polymer umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schiebenockensystem in einer Brennkraftmaschine, wie es grundsätzlich aus der DE 101 48 177 A1 bekannt ist. Bei den meisten Anwendungen werden zwischen den Nocken, schräg verlaufende Nuten zur Verschiebung des Nockenstückes verwendet. Nach dem Verschiebevorgang der Nocken wird die Position mit einer Rastierung meist im inneren der Keilwelle fixiert.
Die Aktuatoren welche die Nocken verschieben, verschleißen meist vorzeitig im Bereich in dem der Pin an den extremen Krümmungen der Verschiebenut anläuft. Mit ein Grund dafür ist der Umstand, daß die Verschiebekräfte aus Gründen der Kollisionsvermeidung über einen extrem kleinen Nockenwellendrehwinkel aufgenommen werden müssen. Reibverluste entstehen dadurch, daß die Verschiebekräfte sich über die Keilwelle ausbreiten. Die Ventilschäfte drücken über die Ventilfedern gegen das Nockenstück. Das wiederum liegt formschlüssig an der Keilwelle an. Diese Verspannung muß durch den Pin überkompensiert werden. Ferner verfügt das Nockenstück über kein eigenes Lagersystem. Das Gleitlager der Keilwelle (Stahl auf Stahl) stellt indirekt das Koordinatensystem des Nockenstücks. Im Betrieb kommt es somit zu einer Verbiegung der Keilwelle im dauerelastischen Bereich, welche jeweils in der Mitte des Nockenstückes seinen höchsten Punkt erfährt. Diese Verbiegungen führen zu Ungenauigkeiten bei der Auslegung des Nockentriebes bzw. werden im Vorfeld berechnet und im Koordinatensystem eingerechnet und ebenfalls kompensiert. Dies führt zu Verlusten.
Auch zu erwähnen ist, daß die Keilwelle relativ „kräftig” ausgeführt werden muß um diesen Anforderungen standhalten zu können.
Aufgabe der Erfindung

1. Erstellung eines eigenen Koordinatensystems für ein Nockenstück.
2. Erstellung eines reibungsärmeren Verschiebesystem für Nockenstücke.
3. Vereinfachung der Aktorik
4. Elektrische Ansteuerung der Aktorik
5. Abwälzung der Rotativbewegung des Nockenstückes im Lager
6. Reduktion der Reibung in der Keilwelle
7. Verschleißreduktion des Gesamtsystems
8. Hochgenau reproduzierbare und entsprechend ausreichend schnelle Verschiebezeiten des Nockenstückes
9. Hochgenau reproduzierbare und entsprechend ausreichend schnelle Verschiebegeschwindigkeiten des Nockenstückes
10. Vollvariable, hochgenaue Verschiebepositionen für Nockenstücke im Hinblick auf weitere Entwicklungen hin zur Raumnocke
11. Einfache Integrierbarkeit in bestehende Motoren
12. Optimale Ausnutzung des vorhandenen Bauraums

Zusammenfassung der Erfindung
Einsatz von EAP-Aktuatoren mit Verzichten auf die Steuernuten in die heute der Pin des Magnetaktors einrastet (EAP ist die Abkürzung für die an sich bekannten Elektroaktiven Polymere). Verwendung eines Kreuzrollenverbandes zur Wälzlagerung des Nockenstückes. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß auch eine andere Form der Verschiebeaktion angewandt werden kann. Eine Gleitbuchse beispielsweise aus Permaglide-Material lässt die Verschiebung reibungsminimiert vollziehen. Die Keilwelle kann mit und ohne Rastierungen ausgerüstet sein.
Zeichnung 1 als Schnittdarstellung der Schiebenocke: das Schiebenockenstück (Pos: 7) ist formschlüssig mit der Keilwelle (Pos: 8) verbunden. Der Formschluß lässt eine gleitende Verschiebung (großzügige Spielpassung) des Nockenstückes zu. Das Schiebenockenstück beinhaltet links und rechts die drei Nockenkonturen mit den aus der Motorenabstimmung definierten Nockengeometrien. Idealerweise können bei einer gebauten Variante diese beiden Teilbereiche aus Gleichteilen bestehen.
In der Keilwelle ist eine Bohrung zur Aufnahme der Rastierkugel nebst Feder untergebracht. Diese rastet im Einstich des Nockenstückes ein. Welches wiederum die drei (variable Anzahl möglich bis hin zur vollvariablen Raumnocke) Einzelnocken positioniert. Kommt im Rahmen dieser Erfindung keine Rastierkugel zum Einsatz, dann kann die axiale Position auch durch ein Kräftegleichgewicht der Aktoren gesichert werden.
Bei der Raumnocke fehlt die Sektion der Rastierung bzw. kann durch eine sogenannte Mittelposition welche als „Parkplatz” dient ersetzt werden. Parkplatz deshalb weil bei Motorstop oder Störung ein definierter Zustand hergestellt werden kann.
Das Mittelstück (Pos: 7) des Nockenstücks stellt gleichzeitig den Innenring des Kreuzrollenlagers dar. Darüber liegt nun bevorzugt der Kreuzrollenverband. Eine andere Lageranordnung bzw. -form ist natürlich ebenfalls möglich. Über den Kreuzrollen liegen die Außenringe. Der Außenring kann als einteilige oder bevorzugt als zweiteilige Variante ausgeführt werden. Auch der Innenring kann ggf. auf das Nockenstück montiert werden.
Im Motorlager des Zylinderkopfes (Pos: 1) ist beispielsweise eine Permaglidebuchse (Pos: 2) eingepresst. Von links wird nun der erste EAP-Aktor (Pos: 3) mit Hilfe einer Hülse (Pos: 4) eingeschoben. Nun wird das gesamte Nockenstück (Pos: 1) auf die Aktorhülse (Pos: 4) unter vorherigen Fügen in der Permaglidebuchse (Pos: 2) eingeschoben. Bei diesem Montagestand ist es hilfreich wenn der Aktor bereits so bestromt wird, daß er sich um ca. 50% zusammenzieht. Nun wird die zweite Hülse (Pos: 6) zusammen mit dem zweiten Aktorensatz (Pos: 5) eingeschoben. Ein Fixierdeckel hält das Aktorenpaket in der montierten Position.
Der Aktor (Pos: 3) auf der rechten Seite ist bestromt mit einer Dehnung auf 50% dargestellt. Der linke Aktor (Pos: 5) ist mit einer Dehnung von 150% dargestellt. Somit werden rein rechnerisch mit der Bestromung ±50% Dehnung und Schrumpfung die Nocken vor- und rückwärts bewegt.
Die Erfindung ermöglicht ein eigenes Koordinatensystem für das Nockenstück. Das Verschiebesystem ist durch die Gleitbuchse reibungsärmer in beide Richtungen. Die Aktorik ist durch die Verwendung von EAP-Aktoren vereinfacht. Die elektrische Ansteuerung der Aktorik ermöglicht eine Verschiebung unabhängig vom Ölfluß des Motors. Der Kreuzrollenverband ermöglicht eine Abwälzung der Rotativbewegung des Nockenstückes und somit eine wälzgelagerte Nockenwelle in der vorhandenen Zylinderkopflagerstelle ohne Änderung des Zylinderkopfes.
Die Dauerhaltbarkeit des Aktors kann durch dieses System verbessert werden.
Die Reibung in der Keilwelle wird durch die fehlende Durchbiegung reduziert. Dies wiederum bewirkt eine Verschleißreduktion des Gesamtsystems. Die Verwendung von EAP-Aktoren im Zusammenspiel mit dem fehlen von Steuernuten ermöglichen Variable Verschiebezeiten des Nockenstückes (unter Berücksichtigung der Kollisionsbetrachtung). Nicht zu vergessen die variablen Verschiebegeschwindigkeiten des Nockenstückes und die vollvariablen Verschiebepositionen für Nockenstücke im Hinblick auf weitere Entwicklungen bis hin zur Raumnocke.
Durch diese Lösung ist eine einfache Applikation eines Schiebenockensystems in bestehende Motore möglich und verbindet dies mit den Vorteilen einer wälzgelagerten Nockenwelle.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
2: Gleitbuchse
3: EAP-Aktor (li)
4: Hülse (li)
5: EAP-Aktor (re)
6: Hülse (re)
7: Schiebenockenstück mit Wälzlager (erfüllt direkt die Funktion des Lagerinnenrings)
8: Keilwelle (statt herkömmlicher Nockenwelle)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10148177 A1 [0001]

Claims

Schiebenockensystem einer Brennkraftmaschine, umfassend eine Keilwelle (8) und ein Nockenstück (7), das drehfest und axialverschiebbar auf der Keilwelle (8) gelagert ist, sowie einen Aktuator zur Verschiebung des Nockenstücks (7), dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator ein EAP-Aktuator (5, 6) ist, der ein sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung dehnendes elektroaktives Polymer umfasst.
Schiebenockensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenstück (7) in einem Kreuzrollenlager gelagert ist.