DE4135257C2

DE4135257C2 - Vorrichtung zur Betätigung der Ventile in Verbrennungsmotoren mittels umlaufender Nocken

Info

Publication number: DE4135257C2
Application number: DE19914135257
Authority: DE
Inventors: Peter Prof Dr Ing Kuhn; Gerhard Dipl Ing Kachel; Helmut Dipl Ing Schoen
Original assignee: Individual
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-10-25
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 2011-10-26
Also published as: DE4135257A1; DE4313656B4; DE4313656A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Betätigung der Ventile in Hubkolben-Verbrennungs motoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 be ziehungsweise des Patentanspruchs 5.

Zur Betätigung der Ventile mit nicht veränderbarer Ventil hubkurve sind drei- und mehrgliedrige Kurvenrastgetriebe bekannt und finden in heutigen Hubkolbenmotoren verbreitet Anwendung. Zur Betätigung der Ventile mit veränderbarer Ventilhubkurve sind ebenfalls vier- und mehrgliedrige Kurvenrastgetriebe bekannt (vgl. DE 38 33 540 A1 und WO 83/02 301 A1 sowie US 4.942.854). Die Ventile werden jeweils von Steuernocken betätigt, die mit einem weiteren Getriebe glied zusammenwirken, dessen Bewegung eventuell über weitere Getriebeglieder auf das Ventil übertragen wird.

Im Hinblick auf die in der genannten DE 38 33 540 A1 be schriebene Vorrichtung zur Ventilbetätigung an Verbrennungs motoren haben sich zwei Punkte ergeben, die als ver besserungswürdig anzusehen sind. Einerseits handelt es sich um die Problematik der von den Nocken auf die Abtriebs glieder übertragenen Bewegung beziehungsweise Beschleunigung während des Intervalls zwischen Schließen und Öffnen des Ventils; andererseits handelt es sich um ein tribologisches Problem, d. h. darum, das die Drehbewegung der Nocken als lineare Bewegung auf die Ventile übertragende Zwischen glied bezüglich der Reibung und Schmierung zu optimieren.

Bei entsprechender Gestaltung des Getriebes sind bei einer Vorrichtung der gattungsgemäßen Art beide Teilaufgaben zu lösen, wobei dann gesamtheitlich betrachtet, ein Ver brennungsmotor mit besserem Wirkungsgrad und erhöhter Lebensdauer entsteht.

Was den vorgenannten Problempunkt bezüglich der Stößelbe schleunigung angeht, so ist der Hintergrund darin zu sehen, daß es sich beim Betrieb der gattungsgemäßen Vorrichtung beziehungsweise beim Laufen eines Verbrennungsmotors im Hinblick auf Geräuschemission und Materialbeanspruchung als nachteilig erwiesen hat, wenn der Kontakt zwischen Stößel und Nocken, während des Intervalls zwischen "Schließen" und "Öffnen" der Ventile verloren geht. Dieses Problem ist zwar nicht neu und es wurde bisher dadurch gelöst, daß der Stößel mit dem Nocken über einen Federmechanismus in Berührung ge halten wurde ... im Hinblick auf den konstruktiven Aufwand und den zusätzlichen Raumbedarf ist die genannte Lösung jedoch nicht als optimal zu bezeichnen.

Was den Problempunkt der Reibung beziehungsweise Schmierung angeht, so hat es sich im Hinblick auf das in der DE 38 33 540 A1 beschriebene Getriebe gezeigt, daß an den Kontaktstellen Zwischenglied/Gehäuse und Zwischenglied/ Abtriebsglied während der Ventilrast eine erhöhte Reibung entsteht; darüberhinaus hat es sich gezeigt, daß aufgrund des ständigen Kraftschlusses an der Kontaktstelle Zwischen glied/Abtriebsglied ungünstige Schmierverhältnisse vor liegen.

Beide Problempunkte sind je für sich zu eliminieren, wobei - wie erwähnt - auch die gemeinsame Verwendung der Lösungs vorschläge sinnvoll, d. h. synergistisch wirkungsvoll sein soll.

Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, drei und mehrgliedrige Kurvenrastgetriebe zum Antrieb der Ventile in Verbrennungsmotoren hinsichtlich Geräuschemission und Materialbeanspruchung zu verbessern und zwar ohne den konstruktiven Aufwand wesentlich zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 beziehungsweise des Patentanspruchs 5 gelöst.

Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4, beziehungsweise der Ansprüche 6 bis 8.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 einen typischen Verlauf des Ventil- und Zwischengliedhubs über einen kompletten Nocken umlauf um 360°, und zwar sowohl zunächst gemäß Stand der Technik, als auch gemäß der er findungsgemäßen Konzeption;

Fig. 2 den Verlauf der Beschleunigung des Zwischen glieds gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Ventilbetätigung in einem Verbrennungsmotor mit einer Abstützung zur Entlastung des Zwischen glieds während der Ventilrast;

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vor richtung zur Ventilbetätigung in einem Ver brennungsmotor mit einer Abstützung zur Ent lastung des Zwischenglieds während der Ventil rast.

Fig. 1 zeigt unter anderem einen typischen Verlauf des Ventil hubs, bzw. des Hubes des vom Nocken angetriebenen Getriebe glieds, im folgenden Zwischenglied genannt, über dem Nocken drehwinkel ϕ für eine volle Periode von 360°.

Ausgehend von der Stellung des größten Ventilhubs nehmen der Ventilhub und der Hub des Zwischenglied gleichermaßen entsprechend dem Kurvenstück 1 ab. Beim Punkt 2 setzt das Ventil auf seinem Sitz auf und seine Bewegung folgt dem Kurvenstück 3, einer Geraden, bis zum Punkt 4. Ab dem Punkt 2 sind die Bewegungsverläufe für Ventil und Zwischen glied unterschiedlich, das Zwischenglied folgt dem Nocken entlang dem Kurvenstück 5 bis zum Punkt 6. In diesem Bereich bleibt das Zwischenglied an den Nocken angedrückt, da im Kurvenstück 5 eine positive Beschleunigung vorliegt. Nach dem Punkt 6 ist dies nicht mehr der Fall, so daß das Zwischen glied im weiteren Verlauf eine Lage zwischen dem Kurven stück 3 und dem Kurvenstück 7 einnehmen wird, welches durch den Nockengrundkreis gegeben ist. Der Verlauf der Bewegung des Zwischenglieds zwischen den Kurvenstücken 3 und 7 hängt von verschiedenen Störgrößen ab, unter anderem von Motorvibrationen und kann nicht vorausbestimmt werden.

Folgt nun das Zwischenglied zufällig der Linie 7, liegt es also am Nockengrundkreis an, so wird es ab dem Punkt 8 auf dem Kurvenstück 9 beschleunigt und erreicht im Punkt 4 die durch die Steigung der Tangente 10 veranschaulichte Ge schwindigkeit. Ab dem Punkt 4 nimmt das Zwischenglied das Ventil mit und beide bewegen sich entsprechend dem Kurven stück 11 weiter.

Bei Punkt 4 muß also das Ventil durch Stoß auf die Ge schwindigkeit des Zwischenglieds beschleunigt werden, was hinsichtlich Materialbeanspruchung und Geräusch nach teilig ist.

Folgt nun das Zwischenglied zufällig dem Kurvenstück 3, liegt es also am Ventil an, so muß im Punkt 4 nicht nur das Ventil, sondern auch das Zwischenglied durch Stoß auf die durch die Steigung der Tangente 10 veranschaulichte Geschwindigkeit beschleunigt werden. Die Verhältnisse hinsichtlich Materialbeanspruchung und Geräusch liegen somit wesentlich ungünstiger als im ersten Fall.

Um nun günstigere Verhältnisse wie im ersten Fall zu er halten, ist es offenbar notwendig, das Zwischenglied in ständigem Kontakt mit dem Nocken zu halten.

Den mit der erfindungsgemäßen Nockenform im genannten Intervall erreichten Hubverlauf des Zwischenglieds zeigt in Fig. 1 ein Kurvenstück 12. Der gesamte Hubverlauf des Ventils folgt also den Kurvenstücken 1, 3 und 11; der Hubverlauf des Zwischenglieds folgt den Kurvenstücken 1, 12 und 11.

Da es lediglich darauf ankommt, das Zwischenglied in ständigem Kontakt mit dem Nocken zu halten, genügt eine kleine Beschleunigung im Verhältnis zur größten auftreten den Beschleunigung, was durch die verhältnismäßig schwache Krümmung des Kurvenstücks 12 veranschaulicht wird. Da einerseits eine gewisse Mindestbeschleunigung im Kurven stück 12 notwendig ist, andererseits eine höhere Beschleu nigung nur nutzlose Reibung zur Folge hätte, ist eine in etwa gleichbleibend niedrige Beschleunigung im Kurven stück 12 sinnvoll.

Weiter ist es zur Erzielung eines ruhigen Laufes vorteil haft, die beiden Bereiche mit hoher Beschleunigung an den Nockenflanken mit dem Bereich niedriger Beschleunigung des Zwischenglieds bei geschlossenem Ventil lückenlos aneinanderzufügen, so daß nur ein einziges Intervall mit ausschließlich positiver Zwischengliedbeschleunigung existiert. Der so entstehende, erfindungsgemäße Verlauf der Zwischengliedbeschleunigung ist in Fig. 2 über dem Nockendrehwinkel aufgetragen. Das Intervall 13 mit aus schließlich positiver Beschleunigung ist zusammengesetzt aus einem mittleren Teil 14 mit kleiner Beschleunigung und zwei Teilen 15 mit hoher Beschleunigung in den Rand bereichen des Intervalls.

Der dargestellte Beschleunigungsverlauf kann zu einem äquivalenten, sprungstellenfreien Verlauf modifiziert werden. Darüberhinaus kann der erfindungsgemäße Be schleunigungsverlauf nicht nur auf eine lineare Bewegung eines in einem Schubgelenk geführten Zwischenglieds ange wendet werden, sondern auch auf eine Drehbewegung eines in einem Drehgelenk geführten Kipp- oder Schlepphebels.

Der soweit beschriebene Teil der vorliegenden Erfindung betrifft also den Kraftschluß zwischen Zwischenglied und Nocken bei geschlossenem Ventil und wirkt sich positiv im Hinblick auf die Materialbeanspruchung und im Hinblick auf die Laufruhe eines mit einer erfindungsgemäß wirken den Nocke bestückten Getriebes aus. Bezüglich der Material beanspruchung sind - wie eingangs erwähnt - weitere positiv wirkende Maßnahmen vorgesehen. Ausgegangen wird dabei von einem Getriebe der in der DE 38 33 540 A1 beschriebenen Art, bei dem die Verhältnisse bezüglich Reibung und Schmierung insoweit verbessert werden sollen, daß einer seits der mechanische Wirkungsgrad des Motors erhöht und andererseits der Verschleiß im Ventilgetriebe verringert wird.

Die Lösung dieses Problems besteht darin, daß sich während der Ventilrast das Abtriebsglied am Gehäuse in der Weise abstützt, daß sich zwischen dem Abtriebsglied und dem Zwischenglied und/oder zwischen dem Zwischenglied und dem Gehäuse ein definiertes Spiel einstellt. Dadurch wird erreicht, daß sich das Zwischenglied während der Ventil rast weitgehend reibungsfrei bewegen kann, so daß das Zwischenglied in ständigem Kontakt mit dem Nocken bleibt und sich der Schmierfilm in der unbelasteten Kontaktstelle zwischen dem Zwischenglied und dem Abtriebsglied zu regenerieren vermag.

Die konstruktive Lösung des genannten Problems besteht bei einem Getriebe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 definierten Art darin, daß die gehäuseseitige Abstützung des Abtriebsglieds während der Ventilrast an demselben Bauteil angebracht ist, welches die gehäuseseitige Kurve im Gehäuse in geeigneter Weise führt. Ein Ausführungsbei spiel eines Getriebes mit der genannten Abstützung "von oben" ist in Fig. 3 dargestellt.

Gemäß der Darstellung nach Fig. 3 ist in teilweise ge schnittener Seitenansicht ein Gehäuse 20 mit einem Ventil 21 erkennbar. Das Ventil 21 wird von einem in einem Dreh gelenk 22 geführten Nocken 23 angetrieben, dessen Nocken form 23' vorzugsweise die anhand von Fig. 1 bzw. Fig. 2 be- beziehungsweise umschriebene Wirkung auf das Zwischen glied 24 hat. Der Nocken 23, das Gehäuse 20 und das etwa dreieckförmig ausgebildete Zwischenglied 24 sind Teile eines viergliedrigen Getriebes, dessen viertes Getriebeglied aus einem als Abtriebsglied wirkenden Tassenstößel 25 gebildet ist. Zwischen dem Zwischenglied 24 und dem Tassen stößel 25 bildet sich durch lineare Gleitflächen ein Schub gelenk 26 aus. Das Zwischenglied 24 ist über ein Kurven gelenk 27 am Gehäuse abgestützt. Dieses Kurvengelenk 27 basiert einerseits auf einer als Steuerkurve 28 ausge bildeten Seite des Zwischenglieds 24 und andererseits auf einer am Gehäuse 20 abstützenden Kurve 29, beispielsweise von der Zylinderfläche einer im Gehäuse 20 sitzenden Rolle 37 oder dergleichen.

Die Steuerkurve 28 des Zwischenglieds 24 setzt sich aus einem linearen Abschnitt 30 zur Verwirklichung der Ventil rast und einem Abschnitt 31, der die Ventilerhebung bestimmt, zusammen. Die Veränderung der Ventilhubkurve wird entweder durch Veränderung der Lage des Kurvenge lenks 27 zwischen Zwischenglied 24 und Gehäuse 20 im wesentlichen in Richtung der Schubrichtung des Schubge lenks 26 zwischen Zwischenglied 24 und Tassenstößel 25, oder durch Veränderung der Lage des Drehgelenks 22 zwischen Nocken und Gehäuse 20 in beliebiger Richtung er reicht.

Das soweit beschriebene Getriebe ist Stand der Technik. Gemäß der vorliegenden Weiterbildung im Hinblick auf Ver besserung der Kontaktverhältnisse im Kurvengelenk 32 zwischen Nocken 23 und Zwischenglied 24 ist vorgesehen, den Tassenstößel 25 während der Ventilrast direkt im Ge häuse 20 abzustützen. Dies wird konstruktiv dadurch er reicht, daß der eine Rolle 37 führende Hebel 35 das Zwischenglied 24 übergreift und mit seiner, ebenfalls als Zylinderausschnitt ausgebildeten Kurve 38 den Tassen stößel 25 während der Ventilrast abstützt. Zur Veränderung der Ventilhubkurve ist der Hebel 35 selbst im Drehgelenk 36 mit dem Gehäuse drehbar verbunden. Der gezeigte Ver stellmechanismus 35, 36, 39 ist nur beispielhaft darge stellt und kann durch geeignete Varianten ersetzt werden.

Fig. 4 zeigt in zwei Schnitten eine zweite Ausführungs variante bei welcher die Lage des Kurvengelenks 27 zwischen Zwischenglied 24 und gehäuseseitiger Kurve 29 genau in Schubrichtung des Schubgelenks 26 veränderbar ist. Hierzu wird die Rolle 37 in einem zylindrischen Schiebe stück 40 geführt. Das Schiebestück 40 selbst ist im Gehäuse 20 in Schubrichtung des Schubgelenks 26 verschiebbar be festigt. Das Schiebestück 40 übergreift das Zwischenglied 24 und stützt während der Ventilrast den Tassenstößel 25 in der Fläche 41 ab.

Die in den Fig. 3 und 4 gezeigten konstruktiven Ausführungs beispiele für die Abstützung des Abtriebsglieds während der Ventilrast sind nur exemplarisch zu verstehen.

Die Verhältnisse sind dann entsprechend übertragbar, wenn die Gelenke zwischen Abtriebsglied und Gehäuse und zwischen Zwischenglied und Abtriebsglied als Drehgelenke ausgebildet sind. Ebenso ist eine solche Abstützung des Abtriebsglieds während der Ventilrast auch bei einer Lageveränderung des Drehgelenks zwischen Nocken und Gehäuse zur Veränderung der Ventilhubkurve ausführbar.

Claims

1. Vorrichtung zur Betätigung der Ventile in Ver brennungsmotoren mittels eines Kurvengetriebes, bestehend aus

a) einem Gehäuse,
b) einem mit dem Gehäuse umlauffähig verbundenen Nocken, und
c) einem Abtriebsglied (Tassenstößel), welches in einem Dreh- oder Schubgelenk mit dem Gehäuse verbunden ist und die Bewegung auf das Ventil überträgt,

gekennzeichnet durch eine solche Formgebung des Nockens, daß im gesamten Intervall zwischen dem Schließen und dem erneuten Öffnen des Ventils am Abtriebs glied eine vom Nocken im Kurvengelenk in Normalen richtung übertragene, vom Nocken weg gerichtete positive Beschleunigung auftritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Intervall zwischen dem Schließen und dem erneuten Öffnen des Ventils die vom Nocken im Kurvengelenk in Normalenrichtung übertragene Be schleunigung im wesentlichen konstant ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Intervall zwischen dem Schließen und dem erneuten Öffnen des Ventils die vom Nocken im Kurvengelenk in Normalenrichtung übertragene Beschleunigung wesentlich kleiner ist als die Höchstwerte der Beschleunigung beim Öffnen und Schließen des Ventils.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine solche Formgebung des Nockens, daß im Verlauf der Beschleunigung keine Sprung stelle auftritt.

5. Vorrichtung zur variablen Betätigung der Ventile in Verbrennungsmotoren mittels eines Kurvenge triebes, gestehend aus

a) einem Gehäuse,
b) einem mit dem Gehäuse umlauffähig verbundenen Nocken,
c) einem Abtriebsglied, welches in einem Dreh- oder Schubgelenk mit dem Gehäuse verbunden ist und die Bewegung auf das Ventil überträgt und während der Ventilrast in Öffnungsrichtung des Ventils am Ventil selbst abgestützt ist, und
d) einem Zwischenglied, welches zur Übertragung der Ventilbewegung mit dem Nocken über ein Kurven gelenk, mit dem Gehäuse über ein weiteres Kurven gelenk und mit dem Abtriebsglied über ein Dreh- oder Schubgelenk verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Formgebung des Nockens so ist, daß im gesamten Intervall zwischen dem Schließen und dem erneuten Öffnen des Ventils am Zwischenglied eine vom Nocken im Kurvengelenk in Normalenrichtung übertragene, vom Nocken weg (positiv) gerichtete Beschleunigung auftritt, und
daß das Abtriebsglied bei geschlossenem Ventil in der Schließrichtung des Ventils unter Um gehung des Zwischenglieds (24) sich an einem gehäusefesten Stützelement (35) abstützt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Intervall zwischen dem Schließen und dem erneuten Öffnen des Ventils am Zwischenglied die vom Nocken im Kurvengelenk in Normalenrichtung übertragene, vom Nocken weg gerichtete Be schleunigung im wesentlichen konstant ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Intervall zwischen dem Schließen und dem erneuten Öffnen des Ventils am Zwischenglied die vom Nocken im Kurvengelenk in Normalenrichtung übertragene, vom Nocken weg gerichtete Beschleunigung wesentlich kleiner ist als die Höchstwerte der Be schleunigung beim Öffnen und Schließen des Ventils.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine Formgebung des Nockens derart, daß im Verlauf der Beschleunigung keine Sprungstelle auftritt.