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Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit hubvariabel betätigten Gaswechselventilen, umfassend:
- - eine Trägerwelle,
- - ein auf der Trägerwelle drehfest und axial verschiebbar angeordnetes Nockenstück mit einer Nockengruppe axial benachbarter Nocken unterschiedlicher Erhebungen und einer Axialkulisse mit axial gegenläufigen Verschiebenuten, die jeweils in Nockendrehrichtung aufeinanderfolgend einen Verschiebebereich und einen Auslaufbereich haben,
- - und zylindrische Aktuatorstifte, die in Eingriff mit den Verschiebenuten das Nockenstück auf der Trägerwelle verschieben.
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Ein sogenannter Schiebenocken-Ventiltrieb ist bekanntlich ein hubvariabler Gaswechselventiltrieb einer Brennkraftmaschine, dessen Hubvariabilität durch die axiale Verschiebung eines Nockenstücks mit Nocken unterschiedlicher Erhebungen auf einer drehantreibenden Trägerwelle erzeugt wird. Dabei wird das zugehörige Gaswechselventil je nach axialer Position des Nockenstücks auf der Trägerwelle selektiv von einem der Nocken einer Nockengruppe betätigt. Die Verschiebung des Nockenstücks erfolgt mittels Aktuatorstiften, die in eine Axialkulisse des Nockenstücks mit zwei axial gegenläufigen Verschiebenuten abwechselnd eingreifen und das (drehende) Nockenstück dem axialen Verlauf der Verschiebenuten entsprechend zwischen den Axialpositionen verschieben.
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Die Verschiebenuten befinden sich neben den Nocken, so dass die Länge des Nockenstücks von der Breite der Nockengruppe, d.h. von der Anzahl und Breite der einzelnen Nocken, und von der Breite der Axialkulisse abhängt.
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Die gattungsgemäße
DE 10 2004 024 219 A1 offenbart ein Nockenstück mit einer Axialkulisse, die dadurch vergleichsweise schmal baut, dass ein Teil der Verschiebenut im Auslaufbereich durch nur eine Nutwand axial begrenzt ist.
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Ein weiterer Ventiltrieb der eingangs genannten Art geht aus der
EP 1 503 048 A1 hervor.
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Aus der
DE 10 2008 054 254 A1 ist ein Schiebenocken-Ventiltrieb bekannt, der eine Axialkulisse mit einer Radialerhebung aufweist, die als den Aktorstift aus der Axialkulisse treibende Rückführrampe dient. Die Breite der Radialerhebung und der Durchmesser des Aktorstifts sind so bemessen, dass der Aktorstift über die Radialerhebung axial übersteht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Ventiltrieb mit einem Nockenstück anzugeben, das einen in der Länge weiterhin verringerten Bauraumbedarf hat und damit auch für kleine Brennkraftmaschinen mit vergleichsweise kleinem axialen Bauraumangebot für das Nockenstück geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass jede Verschiebenut den Verschiebebereich teilweise und den Auslaufbereich vollständig durch nur eine und diejenige Nutwand axial begrenzt, an der der mit dem Verschiebebereich im Eingriff befindliche Aktuatorstift das Nockenstück in die momentane Verschieberichtung positiv beschleunigt, wobei die Breite der Verschiebenuten in deren Auslaufbereich kleiner als der Durchmesser der Aktuatorstifte ist. Der gegenüber dem zitierten Stand der Technik weiterhin verringerte Bauraumbedarf der Axialkulisse ergibt sich also dadurch, dass jede Verschiebenut in dem Teil des Auslaufbereichs, der mit nur einer begrenzenden Nutwand axial offen ist, schmaler als der Durchmesser des Aktuatorstifts ist.
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Das bedeutet zum einen, dass in dem axial offenen Auslaufbereich der Verschiebenuten diejenige Nutwand vollständig entfällt, an der sich das (träge) Nockenstück bislang unter negativer Beschleunigung, d.h. in Verschieberichtung verzögernd am Aktuatorstift abstützt. Da mit dieser Nutwand jeweils auch die sich daran anschließende Restwandstärke der Axialkulisse entfällt, baut die Axialkulisse um das Zweifache dieser Restwandstärke kürzer. Da zum anderen die Auslaufbereiche um ein Differenzmaß schmaler als der Durchmesser der Aktuatorstifte sind, baut die Axialkulisse zusätzlich um das Zweifache dieses Differenzmaßes kürzer.
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Die das Nockenstück verzögernde Funktion der in diesem Bereich nicht existenten Nutwände wird bei dieser konstruktiven Ausgestaltung im wesentlichen von einer ohnehin erforderlichen Arretierung übernommen, die das Nockenstück in der jeweiligen Axialposition gegenüber der Trägerwelle verrastet und während des Einrastvorgangs abbremst. Zusätzlich oder alternativ kann das Abbremsen des Nockenstücks durch eine Nockenwellenlagerstelle erfolgen, die als Anschlag für das Nockenstück dient.
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Außerdem können die Verschiebenuten jeweils in Nockendrehrichtung einen dem Verschiebebereich vorhergehenden Einlaufbereich haben. Dabei hat der Einlaufbereich einen sich in Nockendrehrichtung verkleinernden Radius des Nutgrunds, der Verschiebebereich hat einen konstanten Radius des Nutgrunds, und der Auslaufbereich hat einen sich in Nockendrehrichtung vergrößernden Radius des Nutgrunds. Der axiale Abstand der Auslaufbereiche ist größer als der axiale Abstand der Einlaufbereiche. Im Falle der nachfolgend erwähnten mittigen Axialkulisse bewirkt dieser divergierende Axialverlauf der Verschiebenuten, dass die Aktuatorstifte in den Auslaufbereichen axial mit den dort umlaufenden Nocken überlappen. Das bietet die Option, den jeweils nach dem Verschiebevorgang des Nockenstücks noch in Richtung der Verschiebenut ausgefahrenen Aktuatorstift mittels der dann vorbeidrehenden Nockenerhebung in den Aktuator zurück zu befördern.
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In Fortbildung der Erfindung soll dabei das Nockenstück zwei Nockengruppen haben, die an beide Seiten der (mittig dazwischen liegenden) Axialkulisse axial angrenzen. Ein derartiges Nockenstück ist typisch für Ventiltriebe, bei denen die Trägerwelle nicht zwischen den beiden Ein- oder Auslassventilen eines Zylinders, sondern zwischen den Zylindern der Brennkraftmaschine gelagert ist.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren mit zwei Ausführungsbeispielen. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
- 1 einen bekannten Schiebenocken-Ventiltrieb,
- 2 das erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Nockenstücks in perspektivischer Darstellung,
- 3 eine umfängliche Abwicklung einer erfindungsgemäßen Axialkulisse in schematischer Darstellung,
- 4 eine Draufsicht auf das Nockenstück gemäß 2 in unterschiedlichen Drehpositionen,
- 5 eine Draufsicht auf das zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Nockenstücks in unterschiedlichen Drehpositionen.
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Die Erfindung sei ausgehend von 1 erläutert, die einen bekannten Ventiltrieb einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine mit hubvariabler Betätigung der Gaswechselventile 1 zeigt. Das grundlegende Funktionsprinzip des Ventiltriebs lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass eine konventionell starr ausgebildete Nockenwelle durch eine außenverzahnte Trägerwelle 2 und darauf mittels Innenverzahnung drehfest und vorliegend zwischen zwei Positionen axialverschiebbar gelagerte Nockenstücke 3 ersetzt ist. Jedes Nockenstück 3 weist zwei Nockengruppen axial unmittelbar benachbarter Nocken 4 und 5 auf, deren unterschiedliche Erhebungen mittels Schlepphebeln 6 auf die Gaswechselventile 1 übertragen werden. Die Lagerung der Trägerwelle 2 im Zylinderkopf 7 der Brennkraftmaschine erfolgt über die Nockenstücke 3, die jeweils mit einem zylindrischen Umfangsabschnitt 8 zwischen den beiden Nockengruppen in einer Nockenwellenlagerstelle 9 des Zylinderkopfs 7 axial verschieblich und radial gelagert sind. Die Nockenwellenlagerstellen 9 befinden sich jeweils zwischen zwei gleichartigen Gaswechselventilen 1, d.h. zwischen zwei Ein- oder Auslassventilen desselben Zylinders.
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Die zur betriebspunktabhängigen Aktivierung des jeweiligen Nockens 4 oder 5 erforderliche Verschiebung der Nockenstücke 3 auf der Trägerwelle 2 erfolgt jeweils über eine Axialkulisse mit spiralförmigen Verschiebenuten 10 und 11, die umfänglich auf beiden Enden des Nockenstücks 3 verlaufen. In die Verschiebenuten 10 und 11, die entsprechend ihrer entgegengesetzten Verschieberichtungen axial gegenläufig sind, spurt je nach momentaner Axialposition des Nockenstücks 3 jeweils ein zylindrischer Aktuatorstift 12 bzw. 13 eines zylinderkopffesten Aktuators (nicht dargestellt) gemäß der eingezeichneten Pfeilrichtung ein und verschiebt das sich mit der Trägerwelle 2 drehende Nockenstück 3 in die andere Axialposition. Die Verschiebenuten 10, 11 haben jeweils mit einem Nutgrund 14 und gegenüberliegenden Nutwänden 15 und 16 einen über ihrer gesamten Umfangserstreckung U-förmigen Querschnitt.
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Die Nockenstücke 3 sind in beiden Axialpositionen mit der Trägerwelle 2 verrastet. Dies erfolgt mittels einer bekannten und hier nicht erkennbaren Rastiervorrichtung. Dabei handelt es sich üblicherweise um jeweils eine federbelastete Kugel in einer Querbohrung der Trägerwelle 2, die in axial benachbarte Innennuten im Nockenstück 3 einrastet.
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Das in 2 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Nockenstücks 3' unterscheidet sich von dem bekannten Nockenstück 3 gemäß 1 in mehrfacher Hinsicht. Das Nockenstück 3' ist nicht zwischen den Ein- oder Auslassventilen eines Zylinders, sondern zwischen den Zylindern der Brennkraftmaschine auf einer Trägerwelle gelagert. Folglich ist nicht das Nockenstück 3', sondern die Trägerwelle unmittelbar in Nockenwellenlagerstellen des Zylinderkopfs gelagert. Die Axialkulisse befindet sich nicht an beiden Enden des Nockenstücks 3', sondern zwischen den beiden Nockengruppen mit jeweils den Nocken 4 und 5, so dass die beiden Verschiebenuten 10' und 11' unmittelbar benachbart sind.
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Der für die Axialkulisse zwischen den axial beidseits daran angrenzenden Nockengruppen verbleibende Bauraum ergibt sich aus dem mit dem Ventilabstand der Ein- oder Auslassventile identischen Abstand der jeweils aktiven Nocken 4 oder 5 und der Breite der Nocken 4 und 5. Die Nockenbreite ist zugleich maßgeblich für die axiale Erhebung jeder Verschiebenut 10' und 11'. Da bei Brennkraftmaschinen mit vergleichsweise kleiner Zylinderbohrung der Ventilabstand entsprechend klein ist und die Nocken 4, 5 eine mechanisch bedingte Mindestbreite haben, ist das Bauraumangebot für eine Axialkulisse mit vollumfänglich U-förmigen Verschiebenuten 10, 11 gemäß 1 mitunter zu gering.
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3 verdeutlicht die Lösung zu diesem Bauraumproblem durch eine schematische 360°-Abwicklung der Axialkulisse gemäß 2. Dargestellt sind die beiden spiegelsymmetrischen Verschiebenuten 10', 11' und die beiden darin abwechselnd eingreifenden Aktuatorstifte 12 bzw. 13 in jeweils drei verschiedenen Relativpositionen zur Axialkulisse, die in der durch den Pfeil gekennzeichneten Nockendrehrichtung dreht. Jede Verschiebenut 10', 11' hat in Nockendrehrichtung aufeinanderfolgend einen Einlaufbereich 17, einen Verschiebebereich 18 und einen Auslaufbereich 19 für den darin eingreifenden Aktuatorstift 12 bzw. 13. Der Nutgrund 14 (s. 2) hat im Einlaufbereich 17 einen sich in Nockendrehrichtung stufenlos verkleinernden Radius und im Auslaufbereich 19 einen sich in Nockendrehrichtung stufenlos vergrößernden Radius, um den Aktuatorstift 12 bzw. 13 am Ende des Verschiebevorgangs aktiv aus der Verschiebenut 10' bzw. 11' heraus zu befördern. Der Verschiebebereich 18 hat einen konstanten Radius des Nutgrunds 14.
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Gegenüber der bekannten Axialkulisse gemäß 1 ist der gegenseitige Axialverlauf der beiden Verschiebenuten 10', 11' in Nockendrehrichtung divergierend. Denn die Verschiebenuten 10', 11' laufen axial nicht aufeinander zu, sondern voneinander weg, so dass die Auslaufbereiche 19 einen größeren axialen Abstand als die Einlaufbereiche 17 haben. Die Einlaufbereiche 17 sind axial nur durch einen Steg 20 (s.a. 2) voneinander getrennt, dessen Breite wesentlich kleiner als der Durchmesser d der Aktuatorstifte 12 und 13 ist. Die Breite des Stegs 20, der im Einlaufbereich 17 optional auch entfallen kann, ergibt sich aus Gründen der Werkstofffestigkeit aus einem axialen Mindestabstand der beiden nächstbenachbarten Nutwände 15' (s.a. 2), an denen die Aktuatorstifte 12, 13 im Verschiebebereich 18 das Nockenstück 3' in die momentane Verschieberichtung positiv beschleunigen. Der Einlaufbereich 17 und der Auslaufbereich 19 überlappen sich umfänglich, so dass der Umfangswinkel der Verschiebenuten 10', 11' wesentlich größer als 360° ist.
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Die gegenüber bekannten Axialkulissen reduzierte Breite w der Axialkulisse ergibt sich dadurch, dass die Verschiebenuten 10' und 11' zumindest im Bereich der Auslaufbereiche 19 quasi axial soweit abgeschnitten sind, dass die Verschiebenuten 10', 11' deren Auslaufbereiche 19 vollständig nur durch die nächstbenachbarten Nutwände 15' axial begrenzen und dass dort die Breite s der Verschiebenuten 10', 11' stets kleiner als der Durchmesser d der zylindrischen Aktuatorstifte 12, 13 ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Auslaufbereiche 19 vollständig und die Verschiebebereiche 18 teilweise, nämlich im Übergangsbereich zu den Auslaufbereichen 19 nur durch die Nutwände 15' axial begrenzt. Dieser Sachverhalt ist in 3 durch die bereichsweise gestrichelte Darstellung der in diesem Bereich nicht existenten Nutwände 16' verdeutlicht.
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Die axiale Überlappung der sich im Eingriff befindlichen Aktuatorstifte 12, 13 mit den Nocken 4 bzw. 5 ist unschädlich, wenn der Aktuatorstift 12, 13 vor einer Kollision mit den sich drehenden Nocken 4, 5 durch den Aktuator und/oder durch den sich in Nockendrehrichtung radial erhebenden Nutgrund 14 aus dem Umlaufbereich der Nockenerhebung heraus befördert wird. Alternativ kann eine Nockenkollision sogar erwünscht sein, wenn die Erhebung des umlaufenden Nockens 4, 5 den Aktuatorstift 12 bzw. 13 kontrolliert, d.h. mit mechanisch akzeptabler Belastung aus dem Nockenumlaufbereich heraus befördert.
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Das teilweise Fehlen der das Nockenstück 3' in die momentane Verschieberichtung negativ beschleunigenden, d.h. verzögernden Nutwände 16' wird durch die eingangs erwähnte Rastiervorrichtung kompensiert, die das Nockenstück 3' bis zum Einrasten in dessen neuer Axialposition verzögert. Alternativ oder zusätzlich kann das Nockenstück 3' auch an den benachbarten Nockenwellenlagerstellen anschlagen, erforderlichenfalls mit hydraulischer oder mechanischer Anschlagdämpfung.
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Die 4a-c zeigen Draufsichten auf das Nockenstück 3' gemäß 2 in verschiedenen Drehpositionen, um den umfänglichen Verlauf der Verschiebenuten 10' und 11' und das teilweise Fehlen der verzögernden Nutwände 16' und 16" zu verdeutlichen.
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Es bezeichnen:
- r-G:
- Radius des (erhebungsfreien) Grundkreises der Nocken 4, 5
- r-H:
- Hochkreisradius der Axialkulisse
- r-V:
- Nutgrundradius im Verschiebebereich
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Im Einlaufbereich 17 verkleinert sich der Radius des Nutgrunds 14 in der eingezeichneten Nockendrehrichtung vom Hochkreisradius r-H ausgehend auf den Nutgrundradius r-V, der im Verschiebebereich 18 konstant und kleiner als der Nockengrundkreisradius r-G ist. Im Auslaufbereich 19 vergrößert sich der Nutgrundradius von r-V zurück auf den Hochkreisradius r-H.
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Außerdem gilt die Beziehung r-H > r-G, weil die im Auslaufbereich 19 axial mit den Nocken 4 und 5 überlappenden Aktuatorstifte 12 bzw. 13 spätestens ab der Relativposition der beginnenden Überlappung radialen Freigang gegenüber den Nocken 4 und 5 haben müssen. Damit ist der Hochkreisradius r-H stets größer als der Nockengrundkreisradius r-G.
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Das in den 5a-c analog dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Nockenstücks 3" unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel zum einen durch die deutlich kleinere Breite s der Verschiebenuten 10", 11" im Auslaufbereich 19 und durch die dementsprechend kleinere Breite w der Axialkulisse. Zum anderen befinden sich die Erhebungen der Nocken 4 und 5 an einer in Nockendrehrichtung früheren Umfangsposition relativ zu den Auslaufbereichen 19, so dass die umlaufenden Nockenerhebungen die Aktuatorstifte 12 bzw. 13 aktiv in den Aktuator zurück befördern.
