DE102017206151B3

DE102017206151B3 - Brennkraftmaschine umfassend Ventiltriebe mit Ventilfedern und Verfahren zum Montieren einer derartigen Ventilfeder

Info

Publication number: DE102017206151B3
Application number: DE102017206151.0A
Authority: DE
Inventors: Rainer Friedfeldt; Ulrich Heiter; Peter Borkenhagen
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2037-04-12
Also published as: US10557387B2; US20180291774A1; CN108691598A; CN108691598B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, bei der
- für jede Zylinderöffnung ein Ventiltrieb umfassend ein Hubventil (1) und eine Ventilbetätigungseinrichtung zur Betätigung des Hubventils (1) vorgesehen ist,
- jedes Hubventil (1) über einen Ventilschaft (2) verfügt, an dessen dem Zylinder zugewandten zylinderseitigen Ende ein zur Öffnung korrespondierender Ventilteller angeordnet ist und dessen anderes ventiltriebseitiges Ende der Ventilbetätigungseinrichtung zugewandt ist und der translatorisch verschiebbar ist, so dass das Ventil (1) bei Betätigung eine oszillierende Hubbewegung zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung vollzieht, und
- jedes Hubventil (1) mit einer Schraubenfeder (3) ausgestattet ist, die das Ventil (1) in Richtung Ventilschließstellung vorspannt.
Es soll eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden, deren Ventiltriebe optimiert sind.
Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine der genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die mehrere Windungen (4, 5) umfassende Schraubenfeder (3) sich zylinderseitig an dem mindestens einen Zylinderkopf und ventiltriebseitig an dem Ventilschaft (2) abstützt, wobei eine um den Ventilschaft (2) herum verlaufende Nut (2a) vorgesehen ist, in welche die ventiltriebseitig letzte Windung (5) der Schraubenfeder (3) eingreift, so dass zwischen dem Ventilschaft (2) und der letzten Windung (5) eine formschlüssige Verbindung ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der

- jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen von Abgasen via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft via Ansaugsystem aufweist,
- für jede Öffnung ein Ventiltrieb umfassend ein Hubventil und eine Ventilbetätigungseinrichtung umfassend eine Nockenwelle zur Betätigung des Hubventils vorgesehen ist, und
- jedes Hubventil über einen Ventilschaft verfügt, an dessen dem Zylinder zugewandten zylinderseitigen Ende ein zur Öffnung korrespondierender Ventilteller angeordnet ist und dessen anderes ventiltriebseitiges Ende der Ventilbetätigungseinrichtung zugewandt ist und der in einer buchsenartigen Ventilschaftführung translatorisch verschiebbar gelagert ist, so dass das Ventil bei Betätigung und umlaufender Nockenwelle eine oszillierende Hubbewegung zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung in Richtung seiner Längsachse vollzieht, um die Öffnung freizugeben und zu versperren, wobei jedes Hubventil mit einer Schraubenfeder als Ventilfeder ausgestattet ist, die das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorspannt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Montieren einer Ventilfeder eines Ventiltriebs einer derartigen Brennkraftmaschine.
Eine Brennkraftmaschine der oben genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren, Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d. h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, bzw. Brennkraftmaschinen, die über eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine verfügen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen verfügen über einen Zylinderblock und mindestens einen Zylinderkopf, die zur Ausbildung der Zylinder, d. h. der Brennräume, miteinander verbunden werden, wozu im Zylinderkopf und im Zylinderblock regelmäßig Bohrungen vorgesehen sind.
Der Zylinderblock dient als obere Kurbelgehäusehälfte der Lagerung der Kurbelwelle sowie der Aufnahme des Kolbens bzw. des Zylinderrohres jedes Zylinders.
Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme der für den Ladungswechsel erforderlichen Ventiltriebe. Im Rahmen des Ladungswechsels erfolgt das Abführen der Verbrennungsgase via Abgasabführsystem über die mindestens eine Auslassöffnung und das Zuführen der Frischluft via Ansaugsystem über die mindestens eine Einlassöffnung des Zylinders. Dabei sind zumindest Teilstücke des Ansaugsystems bzw. des Abgasabführsystems im Zylinderkopf integriert.
Nach dem Stand der Technik werden bei Viertaktmotoren zur Steuerung des Ladungswechsels nahezu ausschließlich Hubventile verwendet, die entlang ihrer Längsachse zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung bewegbar sind und während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine oszillierende Hubbewegung ausführen, um auf diese Weise die Einlass- und Auslassöffnungen freizugeben bzw. zu versperren.
Der erforderliche Betätigungsmechanismus einschließlich des Ventils selbst wird als Ventiltrieb bezeichnet. Dabei ist es die Aufgabe der Ventiltriebe die Einlass- und Auslassöffnungen der Zylinder rechtzeitig freizugeben bzw. zu versperren, wobei eine schnelle Freigabe möglichst großer Strömungsquerschnitte angestrebt wird, um die Drosselverluste in den ein- bzw. ausströmenden Gasen gering zu halten und eine möglichst gute Füllung des Zylinders bzw. ein effektives, d. h. vollständiges Ausschieben der Verbrennungsgase zu gewährleisten.
Zur Betätigung eines Ventils wird einerseits eine Ventilfeder vorgesehen, um das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorzuspannen, und andererseits, um das Ventil entgegen der Vorspannkraft dieser Ventilfeder zu öffnen, eine Ventilbetätigungseinrichtung.
Die Ventilbetätigungseinrichtung eines Ventils umfasst eine Nockenwelle mit einem Nocken und mindestens ein Nockenfolgeelement, das im Kraftfluss zwischen der Nockenwelle, d. h. dem Nocken, und dem dazugehörigen Ventil angeordnet ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Zwischenelemente der Ventilbetätigungseinrichtung, d. h. Ventiltriebsbauteile, die im Kraftfluss zwischen Nocken und Ventil liegen, d. h. angeordnet sind, als Nockenfolgeelement bezeichnet, d. h. unter diesem Begriff zusammengefasst.
In der Regel wird für die Einlassventile und die Auslassventile jeweils eine Nockenwelle vorgesehen, die beispielsweise mittels eines Zugmitteltriebes von der Kurbelwelle in der Art in Drehung versetzt wird, dass die Nockenwelle und mit dieser die Nocken mit der halben Kurbelwellendrehzahl umlaufen. Grundsätzlich wird dabei zwischen einer untenliegenden Nockenwelle und einer obenliegenden Nockenwelle unterschieden, wobei auf die Trennebene zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf Bezug genommen wird.
Der Ventiltrieb bzw. eine Ventilschaftführung des Ventiltriebs wird in der Kontaktfläche zwischen Ventilschaftführung und Ventilschaft zwecks Schmierung mit Öl versorgt, wobei dies in der Regel von Seiten der Ventilbetätigungseinrichtung her erfolgt.
Nach dem Stand der Technik wird regelmäßig eine Schraubenfeder als Ventilfeder verwendet, die aus einem runden Draht gefertigt ist, wobei durch Wickeln mehrere Windungen ausgebildet werden.
Die Schraubenfeder soll das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorspannen und auf diese Weise geschlossen halten sowie das geöffnete Ventil im Rahmen des Ladungswechsels wieder in die Ventilschließstellung überführen bzw. zurückführen.
Nach dem Stand der Technik stützt sich die Schraubenfeder zylinderseitig am Zylinderkopf ab und ventiltriebseitig an einem als Auflager bzw. Gegenlager dienenden Ventilfederteller, der am Ventilschaft vorgesehen und befestigt ist. Der Ventilfederteller nimmt dabei die ventiltriebseitig letzte Windung der Schraubenfeder auf, wozu das ventiltriebseitige Federende regelmäßig angelegt und geschliffen ist.
Der Ventilfederteller ist üblicherweise ein separates Bauteil, welches mittig eine Bohrung aufweist und im Rahmen der Montage des Ventiltriebs auf den Ventilschaft des Ventils aufgeschoben und befestigt wird. Der Ventilschaft steckt in der Bohrung des montierten Ventilfedertellers. Um den Ventilfederteller auf dem Schaft zu fixieren, werden Keile oder konusförmige Ringe, die gegebenenfalls mehrteilig aufgebaut sind, als Zwischenelemente verwendet. Im Rahmen der Montage wird dabei unter Verwendung mindestens eines Zwischenelements eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Ventilschaft und dem Ventilfederteller ausgebildet. Im Ventilschaft kann zur Aufnahme des mindestens einen Zwischenelementes eine Ausnehmung bzw. Ringnut vorgesehen sein.
Die EP 1 741 881 B1 beschreibt eine besondere Ausführungsform eines Ventilfedertellers, wobei der Ventilfederteller einteilig mit den Zwischenelementen ausgebildet ist. Dies verringert die Anzahl der Bauteile und vereinfacht die Montage.
Vorteilhaft wären aber Konzepte, mit denen sich die Anzahl der Bauteile weiter verringern und/oder sich die Montage weiter vereinfachen lässt.
Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2006 019 979 U1 beschreibt eine Vorgehensweise, bei der Schraubenfedern als Ventilfedern in Hubventilen, die im Folgenden abgekürzt auch als Ventile bezeichnet werden können, zum Einsatz kommen und zur Vermeidung von Montagefehlern aufgrund einer falschen Zuordnung von Ventilfedern und Ventilfedertellern auf dem Weg vom Hersteller bis zum Einbauort miteinander stoffschlüssig verbunden sind.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, deren Ventiltriebe weiter optimiert sind; auch hinsichtlich der Montage.
Eine weitere Teilaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Montieren einer Ventilfeder eines Ventiltriebs einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der

- jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen von Abgasen via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft via Ansaugsystem aufweist,
- für jede Öffnung ein Ventiltrieb umfassend ein Hubventil und eine Ventilbetätigungseinrichtung umfassend eine Nockenwelle zur Betätigung des Hubventils vorgesehen ist, und
- jedes Hubventil über einen Ventilschaft verfügt, an dessen dem Zylinder zugewandten zylinderseitigen Ende ein zur Öffnung korrespondierender Ventilteller angeordnet ist und dessen anderes ventiltriebseitiges Ende der Ventilbetätigungseinrichtung zugewandt ist und der in einer buchsenartigen Ventilschaftführung translatorisch verschiebbar gelagert ist, so dass das Ventil bei Betätigung und umlaufender Nockenwelle eine oszillierende Hubbewegung zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung in Richtung seiner Längsachse vollzieht, um die Öffnung freizugeben und zu versperren, wobei jedes Hubventil mit einer Schraubenfeder als Ventilfeder ausgestattet ist, die das Ventil in Richtung Ventilschließstellung vorspannt,

- die mehrere Windungen umfassende Schraubenfeder sich zylinderseitig an dem mindestens einen Zylinderkopf und ventiltriebseitig an dem Ventilschaft abstützt, wobei eine um den Ventilschaft herum verlaufende Nut vorgesehen ist, in welche die ventiltriebseitig letzte Windung der Schraubenfeder eingreift, so dass zwischen dem Ventilschaft und der letzten Windung eine formschlüssige Verbindung ausgebildet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine entfällt bei einem Ventiltrieb der übliche Ventilfederteller, der gemäß dem Stand der Technik als ventiltriebseitiges Auflager für die Schraubenfeder zwingend vorzusehen ist, vollständig und ersatzlos. Mit dem Ventilfederteller entfallen auch Zwischenelemente, die gemäß dem Stand der Technik zur Ausbildung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen Ventilschaft und Ventilfederteller notwendigerweise vorzusehen sind.
Dadurch verringert sich die Anzahl der Bauteile gegenüber dem Stand der Technik weiter. Durch den Wegfall des Ventilfedertellers mitsamt den Zwischenelementen bzw. der Befestigung wird die Masse an bewegten Teilen im Ventiltrieb reduziert. Dies ist überaus vorteilhaft. Insbesondere kann eine weniger starke Feder verwendet werden, um ein Abheben zwischen dem Nocken und dem zugehörigen Nockenfolgeelement sicher zu verhindern. Die Reibleistung des Ventiltriebs lässt sich verringern. Zudem vereinfacht sich die Montage wie im Folgenden kurz erläutert wird.
Erfindungsgemäß stützt sich die Schraubenfeder ventiltriebseitig am Ventilschaft selbst ab. Hierzu wird eine um den Ventilschaft herum verlaufende Nut vorgesehen, in welche die ventiltriebseitig letzte Windung der Schraubenfeder eingreift. Unter Verwendung der Nut und der letzter Windung wird infolge des Eingreifens eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Ventilschaft und der Schraubenfeder ausgebildet.
Im Rahmen der Montage des Ventiltriebs wird die Ventilfeder auf den Ventilschaft aufgesteckt und soweit entlang der Längsachse des Ventils in Richtung des Ventiltellers verschoben bis die letzte Windung der Schraubenfeder - zumindest abschnittsweise - in die im Ventilschaft vorgesehene Nut eingreift bzw. einrastet. Hierzu muss die letzte Windung beim Montieren ausgehend von einem Windungsdurchmesser bzw. Abstand A der unbelasteten Feder zunächst unter Krafteinwirkung auf einen größeren Abstand B > A aufgespreizt werden, um sicherzustellen, dass der Formschluss zwischen Nut und eingreifender Federwindung dauerhaft ist, d. h. nach erfolgter Montage nur gewollt unter erneuter Krafteinwirkung aufgelöst werden kann. Beim Eingreifen bzw. Einrasten der letzten Windung in die Nut reduziert sich der Abstand auf einen kleineren Abstand C, für den gilt: C < B. Vorzugsweise gilt für den kleineren Abstand C auch: A < C. Dies gewährleistet zusätzlich zum Formschluss infolge Einrastens einen Kraftschluss aufgrund einer Federspreizkraft.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, deren Ventiltriebe weiter optimiert sind; auch hinsichtlich der Montage.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen jeder Ventiltrieb in der erfindungsgemäßen Wiese ausgebildet ist und nicht nur mindestens ein Ventiltrieb.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemäß den Unteransprüchen werden im Folgenden erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ventilschaft sich an seinem ventiltriebseitigen Ende verjüngt.
Ein sich verjüngendes Ventilschaftende erleichtert die Montage des Ventiltriebs und zwar sowohl das Aufstecken der Ventilfeder auf den Ventilschaft als auch das Aufspreizen der ventiltriebseitig letzten Windung beim Verschieben der Ventilfeder in Richtung des Ventiltellers bis zum Einrasten der letzten Windung der Schraubenfeder in die vorgesehene Nut.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ventilschaft sich ausgehend von der Nut an seinem ventiltriebseitigen Ende verjüngt. Vorliegend schließt das sich verjüngende Schaftende unmittelbar an die Nut an. D. h. die ventiltriebseitig letzte Windung wird beim Verschieben entlang der Längsachse des Ventils bis zum Einrasten in die Nut zunehmend aufgespreizt.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ventilschaft an seinem ventiltriebseitigen Ende konisch ausgebildet ist. Dann wird die ventiltriebseitig letzte Windung beim Verschieben entlang der Längsachse des Ventils kontinuierlich, d. h. stufenlos zunehmend aufgespreizt.
Da der Schaft vorzugsweise eine zylinderförmige Grundform aufweist, lässt sich die konische Form des ventiltriebseitigen Endes sowie die um den Ventilschaft herum verlaufende Nut in einfacher Weise und gegebenenfalls in einem Arbeitsschritt, beispielsweise mittels Drehen, ausbilden. Insbesondere lassen sich bereits auf dem Markt befindliche Ventile im Rahmen einer Nachbearbeitung ventiltriebseitig mit einem sich verjüngenden Schaftende ausstatten und damit für eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einsatzfähig machen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die Schraubenfeder aus einem runden Draht gefertigt ist. Der runde Draht kann ein kreisrunder Draht, aber auch ein ovaler Draht sein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die ventiltriebseitig letzte Windung der Schraubenfeder zumindest nutseitig im Querschnitt einen Krümmungsradius R₁ aufweist, der größer ist als ein Krümmungsradius R₂, den die Nut am Nutgrund aufweist.
Diese Ausführungsform gewährleistet im montierten Zustand der Ventilfeder, dass die formschlüssige Verbindung zwischen der Nut und der letzten Windung zumindest im Nutgrund ein Spiel aufweist, d. h. an der tiefsten Stelle der Nut ein kleiner Luftspalt ausgebildet wird. Die letzte Windung hat dann in der Regel auf beiden Seiten des Schaftes jeweils an zwei - entlang des Schaftes zueinander beabstandeten - Stellen Kontakt mit dem Schaft. Dadurch ergibt sich eine Sicherung gegen Verdrehen, d. h. gegen Knicken der Feder bzw. des Federendes quer zum Schaft.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die ventiltriebseitig letzte Windung der Schraubenfeder u-förmig ausgebildet ist. Vorliegend hat die letzte Windung der Schraubenfeder eine u-förmige Grundform. Die letzte Windung kann dabei jede mögliche klammerförmige bzw. zangenartige Gestalt aufweisen, solange die Windung zwei gegenüberliegende und zueinander beabstandete Schenkel bzw. Arme aufweist, die gegeneinander beweglich sind, sich insbesondere unter Vergrößerung ihres Abstandes aufspreizen lassen und im montierten Zustand der Ventilfeder in die um den Ventilschaft herum verlaufende Nut eingreifen.
Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die u-förmig ausgebildete letzte Windung der Schraubenfeder zwei gegenüberliegende und zueinander beabstandete Schenkel aufweist, welche in die um den Ventilschaft herum verlaufende Nut eingreifen.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung der nicht montierten unbelasteten Schraubenfeder einen Abstand A aufweisen. Der Abstand A definiert den Abstand der Schenkel bei vereinzelter unbelasteter Schraubenfeder im zukünftigen Eingriffsbereich in die Nut, d. h. den Abstand der unbelasteten Schenkel.
Die zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung können bei montierter Schraubenfeder, wenn die Schenkel in die Nut eingreifen, wieder den Abstand A aufweisen oder aber einen größeren Abstand C aufweisen mit C > A. Ist der Abstand C der Schenkel bei montierter Schraubenfeder größer als der Abstand A der unbelasteten Feder bzw. Schenkel wird zusätzlich zum Formschluss infolge Einrastens ein Kraftschluss aufgrund einer Federspreizkraft realisiert, was überaus vorteilhaft ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher insbesondere Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung der montierten Schraubenfeder, bei der die Schenkel in die Nut eingreifen, einen Abstand C aufweisen, wobei gilt: C > A, so dass zwischen dem Ventilschaft und der letzten Windung eine kraftschlüssige Verbindung ausgebildet ist.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung im Rahmen der Montage der Schraubenfeder zeitweise einen Abstand B aufweisen, wobei gilt: B > A.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang ebenfalls Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung im Rahmen der Montage der Schraubenfeder zeitweise einen Abstand B aufweisen, wobei gilt: B > C.
Vorteilhaft sind im vorliegenden Zusammenhang Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung zumindest im Bereich der Nut gekrümmt sind, wobei die Schenkel nutseitig konkav ausgebildet sind. Dies gewährleistet, dass die zwei Schenkel der Schaftkontur, d. h. der Mantelfläche des Schaftes besser bzw. in gewisser Weise folgen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen die zwei gegenüberliegenden Schenkel spangenartig ausgebildet sind, wobei die Schenkel jeweils mindestens eine Ausnehmung aufweisen. Die Schenkel greifen dann im Bereich der Ausnehmung in die Nut ein. Die Schenkel bzw. Arme können auch wellenförmig ausgebildet sein.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen für jedes Ventil mindestens ein Nockenfolgeelement vorgesehen ist, wobei jedes Nockenfolgeelement im Kraftfluss zwischen der Nockenwelle und dem dazugehörigen Ventil angeordnet ist.
Das mindestens eine Nockenfolgeelement kann ein Stößel, ein Kipphebel oder ein Schwinghebel sein. Durch die Verwendung von Hebeln wird ausreichend Bauraum zur Verfügung gestellt, um den Ventiltrieb im Zylinderkopf anzuordnen.
Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Verfahren zum Montieren einer Ventilfeder eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine aufzuzeigen, bei der der Ventilschaft an seinem ventiltriebseitigen Ende konisch ausgebildet ist und die u-förmig ausgebildete letzte Windung der Schraubenfeder zwei gegenüberliegende und zueinander beabstandete Schenkel aufweist, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zwecks Montage

- die Schraubenfeder auf den Ventilschaft gesteckt wird, und
- die letzte Windung der Schraubenfeder entlang der Längsachse des Ventils in Richtung des Ventiltellers verschoben wird bis die zwei Schenkel in die im Ventilschaft vorgesehene Nut eingreifen, wobei die zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung im Rahmen des Verschiebens ausgehend von einem Abstand A zunächst auf einen größeren Abstand B > A aufgespreizt werden, der wieder beim Eingreifen der Schenkel in die Nut auf einen kleineren Abstand reduziert wird.

Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung im Rahmen des Verschiebens ausgehend von einem Abstand A zunächst auf einen größeren Abstand B > A aufgespreizt werden, der wieder beim Eingreifen der Schenkel in die Nut auf einen kleineren Abstand C reduziert wird, wobei gilt: A < C < B.
Ist der Abstand C der Schenkel bei montierter Schraubenfeder größer als der Abstand A der unbelasteten Feder bzw. Schenkel wird zusätzlich zum Formschluss infolge Einrastens ein Kraftschluss aufgrund einer Federspreizkraft realisiert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den 1a, 1b, 1c, 2, 3a und 3b näher beschrieben. Hierbei zeigt:

1a schematisch die Schraubenfeder eines Ventiltriebs einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung,
1b schematisch ein Fragment des Ventilschaftes des Ventiltriebs der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung,
1c schematisch die in 1a dargestellte Schraubenfeder mitsamt dem in 1b dargestellten Ventilschaft im montierten Zustand in einer perspektivischen Darstellung,
2 schematisch die in 1a dargestellte Schraubenfeder mit Blick in Richtung der Längsachse auf das ventiltriebseitige Ende der Schraubenfeder,
3a schematisch einen Abschnitt des in 1b dargestellten Ventilschaftes in einem Querschnitt durch die Längsachse, und
3b schematisch einen Abschnitt der in 1a dargestellten Schraubenfeder mitsamt dem in 1b dargestellten Ventilschaft im montierten Zustand in einem Querschnitt durch die Längsachse.

1a zeigt schematisch die Schraubenfeder 3 eines Ventiltriebs einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung.
Die Schraubenfeder 3 ist aus einem runden Draht gefertigt und umfasst mehrere Windungen 4, 5, wobei die Windung 5 am ventiltriebseitigen Ende 2b der Feder 3, d. h. die ventiltriebseitig letzte Windung 5 der Schraubenfeder 3 einen reduzierten, d. h. verkleinerten Durchmesser aufweist.
1b zeigt schematisch ein Fragment des Ventilschaftes 2 des Ventiltriebs der ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine in einer perspektivischen Darstellung. In 1b ist das ventiltriebseitige Ende 2b des Ventils 1 bzw. des Schaftes 2 dargestellt. Der Ventilschaft 2 ist mit einer um den Ventilschaft 2 herum verlaufenden Nut 2a ausgestattet, in welche die letzte Windung 5 der Schraubenfeder 3 der 1a eingreifen kann.
Der Ventilschaft 2 verjüngt sich an seinem ventiltriebseitigen Ende 2b ausgehend von der Nut 2a in Richtung der Längsachse 1a des Ventils 1. Vorliegend ist der Ventilschaft 2 an seinem ventiltriebseitigen Ende 2b konisch ausgebildet.
1c zeigt schematisch die in 1a dargestellte Schraubenfeder 3 mitsamt dem in 1b dargestellten Ventilschaft 2 im montierten Zustand und ebenfalls in einer perspektivischen Darstellung.
Im montierten Zustand greift die ventiltriebseitig letzte Windung 5 der Schraubenfeder 3 in die um den Ventilschaft 2 herum verlaufende Nut 2a ein und zwar beidseitig des Schaftes 2 in der Art einer Klammer bzw. Zange.
2 zeigt schematisch die in 1a dargestellte Schraubenfeder 3 mit Blick in Richtung der Längsachse 3a auf das ventiltriebseitige Ende 2b der Schraubenfeder 3. Die Längsachse 3a der Schraubenfeder 3 steht senkrecht auf der Zeichenebene.
Die ventiltriebseitig letzte Windung 5 der Schraubenfeder 3 ist u-förmig ausgebildet und weist zwei gegenüberliegende und zueinander beabstandete Schenkel 5a, 5b auf, welche in die um den Ventilschaft 2 herum verlaufende Nut 2a der 1b eingreifen.
Die zwei gegenüberliegenden Schenkel 5a, 5b sind jeweils in dem Bereich, mit dem die Schenkel 5a, 5b in die Nut eingreifen, gekrümmt. Dabei sind die Schenkel 5a, 5b nutseitig konkav ausgebildet und folgen damit der Mantelfläche des Schaftes 2 bzw. der Nutkontur besser.
Die zwei Schenkel 5a, 5b sind gegeneinander beweglich und lassen sich insbesondere unter Vergrößerung ihres Abstandes aufspreizen.
Im unbelasteten Zustand weisen die zwei gegenüberliegenden Schenkel 5a, 5b der letzten Windung 5 einen Abstand A auf. Während der Montage werden die zwei Schenkel 5a, 5b beim Verschieben der Feder 3 in Richtung der Längsachse 3a ausgehend vom Abstand A auf einen größeren Abstand B > A aufgespreizt. Beim Eingreifen der Schenkel 5a, 5b in die Nut 2a wiederum verringert sich der Abstand wieder, vorliegend auf einen kleineren Abstand C mit C > A.
3a zeigt schematisch einen Abschnitt des in 1b dargestellten Ventilschaftes 2 in einem Querschnitt durch die Längsachse 1a.
Das ventiltriebseitige Ende 2b des Schaftes 2 verjüngt sich in Richtung der Längsachse 1a ausgehend von einer um den Ventilschaft 2 herum verlaufenden Nut 2a, mit welcher der Ventilschaft 2 ausgestattet ist. Die Nut 2a weist am Nutgrund 2a' einen Krümmungsradius R₂ auf.
3b zeigt schematisch einen Abschnitt der in 1a dargestellten Schraubenfeder 3 mitsamt dem in 1b dargestellten Ventilschaft 2 im montierten Zustand ebenfalls in einem Querschnitt durch die Längsachsen 1a, 3a.
Die ventiltriebseitig letzte Windung 4, 5 der Schraubenfeder 3, d. h. die beiden Schenkel 5a, 5b der letzten Windung 4, 5 weisen im dargestellten Querschnitt nutseitig einen Krümmungsradius R₁ auf, der größer ist als der Krümmungsradius R₂ der Nut 2a am Nutgrund 2a'.
Im montierten Zustand der Ventilfeder 3 weist die formschlüssige Verbindung zwischen der Nut 2a und der letzten Windung 5 daher ein Spiel im Nutgrund 2a' auf. An der tiefsten Stelle 2a' der Nut 2a wird ein Luftspalt ausgebildet. Die beiden Schenkel 5a, 5b haben jeweils an zwei Stellen D Kontakt mit dem Schaft 2. Der Kontakt kann punktförmig sein, ist aber vorzugsweise linienförmig bzw. flächenartig. Die zwei Stellen D, an denen ein Schenkel 5a, 5b Kontakt hat mit dem Schaft 2, sind entlang des Schaftes 2 zueinander beabstandet, wodurch die Feder 3 gegen ein Verdrehen bzw. Knicken geschützt ist.
Das ventiltriebseitige Ende 2b des Schaftes 2 verjüngt sich in Richtung der Längsachse 1a, wobei der Ventilschaft 2 mit einer um den Ventilschaft 2 herum verlaufenden Nut 2a ausgestattet ist, in welche die letzte Windung 5 der Schraubenfeder 3 der 1a eingreifen kann.
Der Ventilschaft 2 verjüngt sich an seinem ventiltriebseitigen Ende 2b ausgehend von der Nut 2a in Richtung der Längsachse 1a des Ventils 1. Vorliegend ist der Ventilschaft 2 an seinem ventiltriebseitigen Ende 2b konisch ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Ventil, Hubventil
1a: Längsachse des Ventils
2: Ventilschaft
2a: Nut
2a': Nutgrund
2b: ventiltriebseitiges Ende, ventiltriebseitiges Ende des Schaftes
3: Ventilfeder, Schraubenfeder
3a: Längsachse der Schraubenfeder
4: Windung der Schraubenfeder
5: ventiltrieb seitig letzte Windung
5a: erster Schenkel der letzten Windung
5b: zweiter Schenkel der letzten Windung
A: Abstand der zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung der nicht montierten unbelasteten Schraubenfeder
B: größter Abstand der zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung während der Montage mit B > C
C: Abstand der zwei gegenüberliegenden Schenkel der letzten Windung der montierten Schraubenfeder mit C > A
D: Zonen der Berührung
R₁: nutseitiger Krümmungsradius der ventiltriebseitig letzten Windung
R₂: Krümmungsradius der Nut am Nutgrund

Claims

Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf umfassend mindestens einen Zylinder, bei der - jeder Zylinder mindestens eine Auslassöffnung zum Abführen von Abgasen via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen von Frischluft via Ansaugsystem aufweist, - für jede Öffnung ein Ventiltrieb umfassend ein Hubventil (1) und eine Ventilbetätigungseinrichtung umfassend eine Nockenwelle zur Betätigung des Hubventils (1) vorgesehen ist, und - jedes Hubventil (1) über einen Ventilschaft (2) verfügt, an dessen dem Zylinder zugewandten zylinderseitigen Ende ein zur Öffnung korrespondierender Ventilteller angeordnet ist und dessen anderes ventiltriebseitiges Ende der Ventilbetätigungseinrichtung zugewandt ist und der in einer buchsenartigen Ventilschaftführung translatorisch verschiebbar gelagert ist, so dass das Ventil (1) bei Betätigung und umlaufender Nockenwelle eine oszillierende Hubbewegung zwischen einer Ventilschließstellung und einer Ventiloffenstellung in Richtung seiner Längsachse (1a) vollzieht, um die Öffnung freizugeben und zu versperren, wobei jedes Hubventil (1) mit einer Schraubenfeder (3) als Ventilfeder (3) ausgestattet ist, die das Ventil (1) in Richtung Ventilschließstellung vorspannt, dadurch gekennzeichnet, dass - die mehrere Windungen (4, 5) umfassende Schraubenfeder (3) sich zylinderseitig an dem mindestens einen Zylinderkopf und ventiltriebseitig an dem Ventilschaft (2) abstützt, wobei eine um den Ventilschaft (2) herum verlaufende Nut (2a) vorgesehen ist, in welche die ventiltriebseitig letzte Windung (5) der Schraubenfeder (3) eingreift, so dass zwischen dem Ventilschaft (2) und der letzten Windung (5) eine formschlüssige Verbindung ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (2) sich an seinem ventiltriebseitigen Ende (2b) verjüngt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventil schaft (2) sich ausgehend von der Nut (2a) an seinem ventiltriebseitigen Ende (2b) verjüngt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (2) an seinem ventiltriebseitigen Ende (2b) konisch ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenfeder (3) aus einem runden Draht gefertigt ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ventiltriebseitig letzte Windung (5) der Schraubenfeder (3) zumindest nutseitig im Querschnitt einen Krümmungsradius R₁ aufweist, der größer ist als ein Krümmungsradius R₂, den die Nut (2a) am Nutgrund (2a') aufweist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ventiltriebseitig letzte Windung (5) der Schraubenfeder (3) u-förmig ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die u-förmig ausgebildete letzte Windung (5) der Schraubenfeder (3) zwei gegenüberliegende und zueinander beabstandete Schenkel (5a, 5b) aufweist, welche in die um den Ventilschaft (2) herum verlaufende Nut (2a) eingreifen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei gegenüberliegenden Schenkel (5a, 5b) der letzten Windung (5) der nicht montierten unbelasteten Schraubenfeder (3) einen Abstand A aufweisen.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei gegenüberliegenden Schenkel (5a, 5b) der letzten Windung (5) der montierten Schraubenfeder (3), bei der die Schenkel (5a, 5b) in die Nut (2a) eingreifen, einen Abstand C aufweisen, wobei gilt: C > A, so dass zwischen dem Ventilschaft (2) und der letzten Windung (5) eine kraftschlüssige Verbindung ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei gegenüberliegenden Schenkel (5a, 5b) der letzten Windung (5) im Rahmen der Montage der Schraubenfeder (3) zeitweise einen Abstand B aufweisen, wobei gilt: B > A.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei gegenüberliegenden Schenkel (5a, 5b) der letzten Windung (5) zumindest im Bereich der Nut (2a) gekrümmt sind, wobei die Schenkel (5a, 5b) nutseitig konkav ausgebildet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei gegenüberliegenden Schenkel (5a, 5b) spangenartig ausgebildet sind, wobei die Schenkel (5a, 5b) jeweils mindestens eine Ausnehmung aufweisen.
Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Ventil (1) mindestens ein Nockenfolgeelement vorgesehen ist, wobei jedes Nockenfolgeelement im Kraftfluss zwischen der Nockenwelle und dem dazugehörigen Ventil (1) angeordnet ist.
Verfahren zum Montieren einer als Schraubenfeder (3) ausgebildeten Ventilfeder (3) einer Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Ventilschaft (2) an seinem ventiltriebseitigen Ende (2b) konisch ausgebildet ist und die u-förmig ausgebildete letzte Windung (5) der Schraubenfeder (3) zwei gegenüberliegende und zueinander beabstandete Schenkel (5a, 5b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Montage - die Schraubenfeder (3) auf den Ventilschaft (2) gesteckt wird, und - die letzte Windung (5) der Schraubenfeder (3) entlang der Längsachse (1a) des Ventils (1) in Richtung eines Ventiltellers verschoben wird bis die zwei Schenkel (5a, 5b) in die im Ventilschaft (2) vorgesehene Nut (2a) eingreifen, wobei die zwei gegenüberliegenden Schenkel (5a, 5b) der letzten Windung (5) im Rahmen des Verschiebens ausgehend von einem Abstand A zunächst auf einen größeren Abstand B > A aufgespreizt werden, der wieder beim Eingreifen der Schenkel (5a, 5b) in die Nut (2a) auf einen kleineren Abstand reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei gegenüberliegenden Schenkel (5a, 5b) der letzten Windung (5) im Rahmen des Verschiebens ausgehend von einem Abstand A zunächst auf einen größeren Abstand B > A aufgespreizt werden, der wieder beim Eingreifen der Schenkel (5a, 5b) in die Nut (2a) auf einen kleineren Abstand C reduziert wird, wobei gilt: A < C < B.