DE19852605A1 - Stellantrieb für ein Ventil eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Abstract

Es wird ein Stellantrieb für ein Ventil eines Verbrennungsmotors beschrieben, bei dem ein Hebel, der angetrieben wird, schwenkbar gelagert ist und auf den Ventilschaft einwirkt. DOLLAR A Mit diesem Hebel steht der Ventilschaft direkt in Verbindung und wenigstens ein Teil des Ventilschaftes ist biegsam ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An­ spruchs 1.

Ein diese Merkmale aufweisender Stellantrieb ist aus der DE 197 12 063.6 A1 und der der internationalen Patentanmeldung PCT/EP98/91 719 entsprechenden Veröf­ fentlichung bekannt. Dort ist zwischen dem Hebel und dem Ventilschaft eine am He­ bel schwenkbar gelagerte Betätigungsstange vorgesehen und diese ist mit dem Ven­ tilschaft über ein Koppelglied (Gabel) verbunden das z. B. eine Überhubfeder sein kann.

Bei Stellantrieben für Ventilsteuerungen sind bisher meist Systeme mit Hubmagneten und axialer, direkter Ventilbetätigung bekannt. Hierbei befindet sich die Magnetachse ungefähr in der Ventilachse. Die Magnetkraft wird über einen Stößel auf das Ventil übertragen. Teilweise werden hydraulische Elemente zwischengeschaltet, welche den Spielausgleich bewirken. Systeme, wie eingangs geschildert, die über eine Drehbewegung die Kraft auf die Ventilachse übertragen, verwenden ein schwenkba­ res Übertragungsglied (Betätigungsstange), welches z. B. über eine Gabel die Mitnahme des Ventils bewirkt. Diese Gabel läßt zusätzliches Spiel (Relativ­ bewegungen) zu und ist damit verschleißbehaftet. Diese Systeme, die über eine Drehbewegung das Ventil bewegen, haben den Vorteil, insbesondere bei günstiger Anordnung des Magnetankers und eines Drehstabes als Rückstellfeder, erheblich geringere, bewegliche Massen und einen besseren Magnetwirkungsgrad aufzuwei­ sen.

Ein konventioneller Nockenwellenantrieb mit Schwenkhebel überträgt die Antriebs­ kraft über Gleitelemente auf das Ventil. Hierbei bewirkt die aus der Feder- und Mas­ senkraft resultierende Gegenkraft zusätzliche Verluste und zusätzlich eine Lagerbe­ lastung mit Reibungsverlusten in der Ventilführung. Reibung bedeutet auch Ver­ schleiß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Stellantrieb mit schwenkbarem He­ bel weiter hinsichtlich der bewegten Massen zu verbessern, also diese zu reduzie­ ren. Weiterhin soll ein möglichst geringes Spiel und geringe Relativbewegungen, die Verschleiß verursachen, Ziel der Erfindung sein.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche enthalten Weiterbildungen der Erfindung.

Der Kerngedanke der Erfindung beinhaltet die direkte Betätigung des Ventilschafts durch den Hebelarm und die Verwendung eines biegsamen Ventilschafts, welcher den kleinen Betrag ΔS des Axialversatzes, der infolge der Schwenkbewegung auftritt, über die Durchbiegung aufnimmt. Dadurch kann die Betätigungsstange und mit Ver­ schleiß behaftete Ankopplungsteile, z. B. die angesprochene Gabel entfallen; hier­ durch; kann auch erheblich Gewicht eingespart werden.

Diese Lösung macht eine einfache Montage möglich: Hierbei wird gemäß einer Aus­ führungsform das Ventil von unten in einen Teil des Grundkörpers eingeführt, zen­ triert und in die Achse oder Welle des Übertragungselementes eingerastet oder al­ ternativ die Welle oder Achse in die Gabel eingeschoben. Zur sicheren Einrastung kann dieses Übertragungselement verschoben werden, so daß dann eine sichere Klammerung stattfindet. Zur Reduzierung der Stoßbelastung beim Öffnen und Schließen kann eine Überhubfeder eingesetzt werden. Hierdurch kann der Rest­ luftspalt am Schließmagnet kleiner gehalten werden, wenn das Ventil geschlossen ist.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Stellein­ richtung,

Fig. 2 bis 5 Detailausbildungsmöglichkeiten,

Fig. 6 eine alternative Ausführungsform,

Fig. 7 eine Ausführungsform mit Verdrehmöglichkeit des Ventils.

In Fig. 1 ist ein Anker 1 eines elektromagnetischen Stellantriebs in einem Hebel 2 in­ tegriert, der bei 8 schwenkbar gelagert ist. Er ist dort mit einer Torsionsfeder verbun­ den, die hier alleine die zwei gegeneinander gerichteten, auf den Hebel wirkenden Federkräfte erzeugt. Zwei Elektromagnete M1 und M2 können den Anker 1 und den Hebel 2 aus der gezeichneten Zwischenstellung herausbewegen, in die die Feder­ kräfte den Anker 1 ohne Ansteuerung der Magnete stellen.

Die von den Magneten M1 und M2 in Verbindung mit den Federkräften bewirkten Schwenkbewegungen werden auf den Schaft 4 eines Ventils übertragen. In den He­ bel 2 mit dem Hebelteil 2a ist eine Überhubfeder 9 eingeschaltet, die wie aus dem eingangs geschilderten Stand der Technik bekannt, normalerweise als Feder unwirk­ sam, also steif ist, die aber bei aus Verschleiß und Wärmeausdehnung resultieren­ den Längenänderungen diese ausgleichen kann, so daß durch die Verwendung der Überhubfeder 9 auch bei solchen Längenänderungen der Magnet auf kleine Luftspalte gefahren werden kann, was kleine Halteenergien zur Folge hat. Dieses System ist erheblich einfacher und bedeutet auch weniger Gewicht und geringere Magnetkräfte als hydraulische Ausgleichselemente. Am Hebelteil 2a ist eine starre Achse oder eine drehbare Welle 3 angebracht, über die der Ventilschaft 4 mit dem Hebel 2, 2a mittels einer eingerasteten oder eingekoppelten Gabel 4c drehbar ver­ bunden ist.

Der Ventilschaft 4 ist dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Biegezonen 4a und 4b hat, wobei vorzugsweise die Zone 4b unten rund ist und nach oben in ein Rechteck­ profil und schließlich in die Gabel 4c übergeht. Während der Schwenkbewegung tritt ein kleiner Versatz ΔS auf welchen der Ventilschaft über die Durchbiegung aufneh­ men muß.

Fig. 2 zeigt die Seitenansicht der Ankopplung der Gabel 4c. Das Ventilgelenk weist hier zwei Nadellager 5a und 5b auf, die in das Hebelteil 2a integriert sind. Zwischen den Lagern 5a und 5b greift die Ventilgabel 4c ein, die hier in der eingerasteten Stellung gezeichnet ist. Das Verbindungsglied ist die Welle 3, welche eine Ausspa­ rung 7 besitzt. Diese ist notwendig, damit die Gabel 4c bei der Montage nicht zu stark belastet wird, also leicht eingeschoben werden kann. Die volle Rastung ge­ schieht dadurch, daß danach die Welle 3 axial verschoben wird, so daß die Gabel 4c dann die Welle 3 zur Übertragung der Schließ- und Öffnungskräfte sicher umgreift. Zur sicheren Montage und damit einfachen Zentrierung besitzt der Grundkörper 6, in dem der Schaft 4 gelagert ist, im oberen Teil 6a ein Zentrierstück 10, welches eine entsprechende Öffnung zum Einschieben des Ventilschaftes 4 besitzt.

Als Alternative zum Drehgelenk, wie anhand der Fig. 2 beschrieben, kann ein Tor­ sionsband, wie in Fig. 3 dargestellt, eingesetzt werden. In einem Gabelstück 12, wel­ ches mit der Überhubfeder 9 verbunden ist, ist ein verschiebbares Torsionsband 12a gelagert, das im Mittelteil die Gabel 4c des Ventilschafts 4 aufnimmt. Durch Ver­ schieben des Torsionsbands erfolgt die Einrastung. Der Vorteil dieses Torsionsge­ lenkes besteht in Reibungs- und Verschleißfreiheit.

Man kann alternativ zu der Ausbildung des Ventilschafts gemäß den Fig. 1 und 2 den den Abgasen ausgesetzten Teil des Ventilschafts aus Stahl und den oberen Teil des Ventilschafts einschließlich der Biegezonen 4a und evt. 4b und der Gabel 4c aus In­ var oder einem ähnliche Ausdehnungseigenschaften aufweisenden Material herstel­ len, wobei die beiden Schaftteile z. B. durch Umbördeln oder Schweißen verbunden werden. Hierdurch wird einer zu starken Ventilschaftausdehnung entgegengewirkt, was zur Temperaturkompensation verwendet werden kann. Der Ventilschaft kann z. B. ein Invarrohr sein.

Durch enge Toleranzen und Materialauswahl, z. B. Welle aus Chromstahl und Gabel aus dem beschriebenen Invarstahl kann bei höheren Betriebstemperaturen automa­ tisch eine Klemmung der Gabel an der Welle erfolgen.

In ähnlicher Weise kann auch das Torsionsband mit entsprechend geschlossener Gabelausführung gestaltet werden.

In der Fig. 1 wird der Hebel 2 durch die Magnete M1 und M2 und den Anker 1 ange­ trieben. Es ist auch ein Antrieb durch eine Nockenwelle denkbar, was in Fig. 1 durch den gestrichelten Exzenter angedeutet ist. Auch kann im Schwenkhebel eine übliche Rolle mit hydraulischem Spielausgleich verwendet werden. Hierzu ist eine Ventil­ rückstellfeder nach Fig. 6 erforderlich.

Ventile haben die Eigenschaft der Drehung während des Betriebes. Unsymmetrien der Druckfeder und auch der Gaskräfte bewirken eine langsame Verdrehung des Ventiles, was zur Selbstreinigung des Ventilsitzes erwünscht ist. In dem vorbeschrie­ benen Ausführungsbeispiel wird der Biegestab, mit relativ geringer Torsionssteifigkeit eine kleine Drehung des Ventiles bewirken. Sollte dies nicht ausreichen, so besteht die Möglichkeit, entsprechend Fig. 4, den Ventilschaft zwischen zu lagern mit dem Ergebnis, daß eine Verdrehung ähnlich den konventionellen Ventilen möglich ist. Hierzu ist die Biegezone 4a nach dem Bund 4d in der Verlängerung mit einem Zapfen 12 versehen, auf den eine Buchse 13 aufgesteckt ist. Damit kein zusätzliches Axialspiel entsteht wird diese Buchse 13 nach dem Einbau spielfrei eingeschweißt. Fig. 4a zeigt diese Verbindung um 90° gedreht.

Die vorliegende Ausführung des biegsamen Ventils bezieht sich auf ein konventio­ nelles Stahlventil, dessen Verlängerung entsprechend den beschriebenen Ausfüh­ rungen ausgebildet werden kann. Bei Ventilmaterialien, die nicht die entsprechende Elastizität aufweisen, zum Beispiel Keramik, ist es notwendig ein Adapterstück zu verwenden. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Dieses Adapterstück 20 wird auf dem Ven­ tilschaft 4 aufgebracht und bei 16 kraft- oder formschlüssig damit verbunden, zum Beispiel durch Einrollen oder Löten. Das Adapterstück 20 beinhaltet das biegsame Schaftteil 21, entsprechend Fig. 1. Dieses Adapterstück wird nachträglich nach der Einführung des Schaftes 4 in eine Führungsbuchse 18 an dem Schacht 4 befestigt d. h. die Montage mit der Führungsbuchse 18 erfolgt im Zylinderkopf. Die Führungs­ buchse 18 wird mit der Mutter 18a verschraubt.

Als Alternative zur in Fig. 1 und 2 beschriebenen Einrastung kann die Gabel wie in Fig. 5 gezeigt mit einer eng tolerierten Bohrung gestaltet werden. Zur Montage wird die Gabel 19 in die Aussparung 22 der Lagerung 5a/5b eingebracht und anschlie­ ßend der Lagerstift 3 eingeschoben.

Zur sicheren und einfachen Montage ist ein Rastteil 23 mit dem Lagerteil 5a/5b ver­ bunden, welches eine Rastung des Lagerstiftes vor und nach dem Einbau sicher­ stellt.

In Fig. 6 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier ist eine Ventilfeder 30 vorgesehen, die ohne weitere auf den Ventilschaft 32 einwirkende Kräfte das Ventil geschlossen hält. Diese Ventilfeder 30 ist Teil des Federkräfte­ paars, das den Anker ohne Erregung eines der Magnete in die gezeichnete Zwi­ schenstellung stellt.

Wegen der Wirkung der Feder 30 ist keine Befestigung des Schafts 31 am Hebel 32 notwendig. Es genügt hier eine offene Gabel 33, in die eine mit dem Hebel 32 ver­ bundene Welle 34 eingreift. Da auch hier bei der Hebelbetätigung der Versatz ΔS auftritt, weist der Schaft 31 eine Biegezone 31a auf.

Die Feder 30 stützt sich auf dem Federteller 35 ab. Dieser überträgt die Federkraft über den Nutring 36 auf den Ventilschaft 31.

Ähnlich der Ausführung entsprechend Fig. 1 kann auch das Ventil entsprechend der Lösung der Fig. 6 eine begrenzte Drehung durchführen. Die Ausgestaltung nach Fig. 7 ermöglicht diese Drehung des Ventiles. Der Ankerhebel 32 überträgt die An­ triebskraft auf den Kopf 31b des Ventilschaftes 31. Über einen Teller 37 und über ein Axialkugellager 38 wird die Kraft auf den Ventilteller 35a übertragen. Das Kugellager 38 ermöglicht sowohl eine Drehung des Ventiles, als auch eine seitliche Verschie­ bung infolge der Durchbiegung des Ventilschaftes 31a. Die Verbindung des Hebels 32 mit dem Kopf 31b stellt ebenfalls ein Schwenklager dar.

Claims (15)

1. Stelleinrichtung für ein Ventil eines Verbrennungsmotors, bei der ein um eine Achse (8) schwenkbarer und durch einen Antrieb (M1, M2) hin- und herbewegter Hebel (2, 2a; 34) auf den Schaft (4; 31) des Ventils einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschaft (4; 31) über ein Schwenk­ lager (3, 4c; 33, 34) direkt mit dem Hebel (2, 2a) in Berührung ist und daß der Ventilschaft (4) wenigstens teilweise biegsam ausgebildet ist.

2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ven­ tilschaft wenigstens eine Biegezone (4a, 4b; 31a) aufweist.

3. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb mittels einer Elektromagnetanordnung (z. B. Elektromagnete M1, M2) erfolgt.

4. Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb über eine Nockenwelle (8) erfolgt.

5. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hebel (2, 2a; 32) durch Federkräfte in einer Zwischenstellung oder in einer Endlage gehalten wird.

6. Stelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fe­ derkräfte wenigstens teilweise durch eine mit dem Hebel verbundene Torsionsfeder geliefert werden.

7. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net daß der Ventilschaft (4) an seinem Ende eine Ventilgabel (4c) aufweist und daß am Hebel (2, 2a) eine Achse oder Welle (3) angebracht ist, in die die Ventilgabel (4c) eingeschoben wird.

8. Stelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse oder Welle (3) in einer Zone eine Aussparung (7) aufweist, und daß bei der Montage des Ventils die Ventilgabel (4c) in diese Zone eingeschoben wird und daß danach die Achse oder Welle (3) zur Einkopplung axial ver­ schoben wird.

9. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß am Hebel eine Torsionsfeder (12a) vorgesehen ist, mit der eine mit dem Ventilschaft (4) verbundene einkoppelbare Gabel (4c) verbunden ist.

10. Stelleinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Ventil eine in Richtung der geschlossenen Stellung wirkende Fe­ derkraft (30) einwirkt, die Teil der Federkräfte ist und daß der Hebel (32) mit dem Ventilschaft (31) in Berührung steht.

11. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Grundkörper (6) eine Zentrierhilfe (10) für die Montage des Ventils aufweist.

12. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Verwendung eines Ventilmaterials mit geringer Elastizi­ tät auf den Ventilschaft (4) ein Adapterteil (20) mit biegeelastischer Eigen­ schaft (Zone 21) aufgesetzt ist.

13. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Hebel eine Überhubfeder (9) integriert ist.

14. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 und 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß für die Achse oder Welle (3) oder die Torsionsfeder (12a) eine axiale Rastung (23) vorgesehen ist

15. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Federkraft über ein, eine Verdrehung des Ventilschafts (31) zulassendes, Kugellager (38) auf den Ventilschaft (31) einwirkt.