DE4204048A1 - Nockenwellenanordnung mit zumindest einem desaktivierbaren nocken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenanordnung gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1. Derartige Nockenwellenanordnungen bieten eine Reihe von Vorteilen, da sie gestatten, in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen der Maschine Ein- oder Aus­ laßventile durch Wirksammachen oder Desaktivieren des ihnen jeweils angeordneten Nockens ebenfalls wirksam zu machen oder aber dauernd geschlossen zu halten. So kann es zweckmäßig sein, bei Maschinen mit zwei Einlaßventilen, denen zum Öffnen Nocken mit unterschied­ lichen Ventilöffnungszeiten zugeordnet sind, nur bei höheren Maschinendrehzahlen beide Einlaßventile für den Ladungswechsel wirksam werden zu lassen, dagegen bei niedrigeren Drehzahlen eines der beiden Ventile dauernd geschlossen zu halten, während das wirk­ sam bleibende Ventil nach wie vor durch den ihm zugeordneten Nocken mit einer für niedrige Drehzahlen optimierten Ausbildung betätigt wird. Ein anderer Einsatzfall einer derartigen gattungsgemäßen Nockenwellenanordnung liegt bei einer Brennkraftmaschine mit Zylin­ derabschaltung. Indem alle Einlaßventile des betreffenden Brenn­ raums durch beispielsweise vom Fahrer eines Fahrzeugs manuell vor­ gewählte Desaktivierung ihrer zugeordneten Nocken geschlossen gehalten werden, arbeitet die Brennkraftmaschine bei Teillast nur mit einem Teil ihrer Brennräume (Economybetrieb).

Gattungsgemäße Nockenwellenanordnungen mit zumindest einem des­ aktivierbaren Nocken sind bekannt, siehe beispielsweise die DE-OS 39 20 938, F01L 1/04. Diese bekannten Konstruktionen arbeiten mit in Abhängigkeit von dem Druck eines Druckmediums axial auf der Nockenwelle verschiebbaren Muffen, die Bestandteile von nocken­ individuellen Klauenkupplungen sind. Nur dann, wenn durch ent­ sprechende Axialstellung der Muffen die Klauenkupplungen in Ein­ griff gekommen sind, besteht eine drehfeste Verbindung zwischen den sonst desaktivierten Nocken einerseits und der Nockenwelle anderer­ seits.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Nockenwellenanordnung zu schaffen, die eine geringere axiale Länge als bei dem zitierten Stand der Technik besitzt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Dadurch, daß bei der Erfindung die Ein- und Ausrückbewegungen der Kupplung nicht axial bezüglich der Nockenwelle, sondern radial er­ folgen, fordert die Unterbringung der Kupplung in axialer Richtung keinen zusätzlichen Raum. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die mit Dreh- und Biegemomenten beaufschlagte eigentliche Nockenwelle mit relativ großem Durchmesser ausgeführt sein kann, da auf ihr keine in radialen Richtungen Platz bean­ spruchenden Muffen angeordnet sind. Schließlich kann, wie Anspruch 5 zum Ausdruck bringt, bei höheren Drehzahlen die Fliehkraft zur Sicherung der drehfesten Verbindung zwischen Nocken und Nockenwelle ausgenutzt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, deren Fig. 1 einen Querschnitt durch einen hier interessierenden Bereich der Brennkraftmaschine und deren Fig. 2 eine Draufsicht für ein erstes Ausführungsbeispiel wieder­ geben, während die Fig. 3 und 4 im Längs- bzw. Querschnitt weitere Ausführungen zeigen.

Betrachtet man zunächst die Fig. 1 und 2, so ist am Zylinderkopf 1 in üblicher Weise die von der Brennkraftmaschine her angetriebene eigentliche Nockenwelle 2 drehbar gelagert, die mehrere Nocken trägt, von denen hier nur zwei Nocken, nämlich der dauernd drehfest mit der Nockenwelle 2 verbundende Nocken 3 und der desaktivierbare Nocken 4 mit dem Grundkreisbereich 4a, dargestellt sind. Beide Nocken 3 und 4 dienen zum Betätigen je eines Hubventils desselben Brennraums, von denen in Fig. 1 nur das mit 5 bezeichnete durch seinen Ventilschaft und seine Ventilschließfeder angedeutet ist. Die Betätigung der Ventile erfolgt über Tassenstößel 6 und 7 be­ kannten und daher nicht zu erläuternden Aufbaus. Die Tassenstößel sind in Richtung der Achse des jeweiligen Hubventils verschiebbar im Zylinderkopf 1 gelagert.

Während also, wie beschrieben, der Nocken 3 dauernd mechanisch drehfest mit der eigentlichen Nockenwelle 2 verbunden ist, so daß er bei allen vorliegenden Betriebsweisen der Brennkraftmaschine das ihm zugeordnete Ventil - hier ein Einlaßventil - betätigt, ist der Nocken 4 desaktivierbar, beispielsweise derart, daß er nur bei ho­ hen Drehzahlen drehfest mit der Nockenwelle 2 verbunden ist und demgemäß nur dann das ihm zugeordnete Ventil periodisch öffnet, so daß nur bei hohen Drehzahlen ein durch zwei Ventile gebildeter großer Ansaugquerschnitt für den betrachteten Brennraum wirksam ist.

Betrachtet man nun die zur wahlweisen Herstellung und Aufhebung dieser drehfesten Verbindung zwischen Nocken 4 und Nockenwelle 2 dienende Kupplung, so enthält sie als wesentlichen Bestandteil den Kupplungsbolzen 8, der durch die innerhalb der Nockenwelle 2 ange­ ordnete Druckfeder 9 in den Figuren in Richtung nach rechts vorge­ spannt ist und sich demgemäß, sofern keine Gegenkraft vorliegt, am konusförmigen Sitzbereich 11 der Kupplungsausnehmung 12 am Innenum­ fang des Nockens 4 abstützt. Damit ist eine praktisch formschlüssi­ ge Kupplung zwischen Nockenwelle 2 und Nocken 4 geschaffen, wobei die Beständigkeit dieser Kupplung durch Lage des Massenmittelpunkts des Kupplungsbolzens 8 in den Figuren rechts von der Achse 13 der Nockenwelle 2 und demgemäß durch die Fliehkräfte unterstützt wird.

Soll nun infolge Betriebs der Maschine mit niedrigerer Drehzahl nur ein Einlaßventil, nämlich das dem Nocken 3 zugeordnete, wirksam sein, so wird der Druck eines Druckmediums in dem axialen Zufuhrka­ nal 14 in der Nockenwelle 2 und damit über den Verbindungskanal 15, der in dem Kupplungsbolzen 8 verläuft, auch in dem Druckraum 16, der in Fortsetzung der Kupplungsausnehmung 12 in den Nocken 4 ein­ gearbeitet ist, erhöht; dadurch wird der Kupplungsbolzen 8 entgegen der Wirkung der Druckfeder 9 (und der Fliehkräfte) in den Figuren in Richtung nach links verschoben, bis er aus der Kupplungsaus­ nehmung 12 ausgetreten ist und demgemäß Relativdrehungen zwischen Nockenwelle 2 und Nocken 4 ermöglicht. Diese Relativdrehungen setzen dann ein, wenn der Nocken 4 mit der in Drehrichtung vorderen Nockenflanke zur Auflage auf dem Tassenstößel 6 gelangt ist, den er infolge der Stützwirkung der Ventilschließfeder bei fehlender dreh­ fester Verbindung zwischen Nocken und Nockenwelle nicht nach unten drücken kann.

In Fig. 1 erkennt man links vom Kupplungsbolzen 8 einen die Druck­ feder 9 teilweise aufnehmenden Raum 17, der über die Anfasung 18 und/oder eine Bohrung 19 im Nocken 4 dauernd belüftet ist, so daß er der Verschiebung des Kupplungsbolzens 8 in den Figuren in Rich­ tung nach links keinen Widerstand entgegensetzt. Die Bohrung 19 ist in das Verschlußstück 19a für eine Öffnung im Grundkreisbereich 4a des Nockens eingearbeitet, die Bearbeitungszwecken dient.

Zur Axialführung des Nockens 4 können gemäß Fig. 2 beiderseits des Nockens Sicherungsringe 20 und 21 vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, die Aufgabe der axialen Sicherung des Nockens 4 der im Zylinderkopf vorgesehenen Schaltgasse 22 für den Nocken zu über­ tragen.

Zur Erleichterung des Einfallens des Kupplungsbolzens 8 in die Kupplungsausnehmung 12 ist dieser am inneren Umfang des Nockens 4 eine Führungsnut 23 für den Bolzen vorgeschaltet, deren Tiefe wie bei einer Spiralnut zunimmt.

In den Fig. 3 und 4 sind die auch in den Fig. 1 und 2 vorkom­ menden Teile bzw. Merkmale mit denselben Bezugszeichen versehen.

Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich, unterscheidet sich die dort gezeigte Ausführungsform der Erfindung von der anhand der Fig. 1 und 2 bereits erläuterten dadurch, daß die Längsachse 30 des Kupplungsbolzens 8, die zugleich die Längsachse der ihn aufneh­ menden radialen Ausnehmung in der Nockenwelle 2 und der Kupplungs­ ausnehmung 12 im Nocken darstellt, nicht senkrecht zur Längsachse 13 der Nockenwelle 2 verläuft, sondern etwas geneigt. Diese Schräg­ anordnung gestattet den Verzicht auf den in Fig. 1 mit 19a be­ zeichneten Verschlußstopfen für eine Öffnung im Nockengrundkreisbe­ reich 4a, die zur Bearbeitung des Sitzbereichs 11 und des Druck­ raums 16 erforderlich ist. Statt dessen ist der Nockengrundkreisbe­ reich 4a zur Gewinnung eines Freiraums für Bearbeitung und Einfüh­ ren des Kupplungsbolzens 8 durch die einseitige Aussparung 31 ört­ lich exzentrisch in seiner Breite verringert, so daß er in seinem aktivierten Zustand durch seine Rotation eine erwünschte Drehung des Tassenstößels 6 hervorruft.

Auch hinsichtlich der Erzielung seiner beiden Lagen bzw. der Bewe­ gungen zwischen diesen Lagen ist der Kupplungsbolzen 8 in den Aus­ führungen nach den Fig. 3 und 4 anders ausgelegt. An seine der Kupplungsausnehmung 12 abgekehrte Stirnfläche grenzt in der Nocken­ welle 2 die gegen das Äußere abgedichtete Druckkammer 32 an, die über Längs- und Querkanäle 33 bzw. 34 im Kupplungsbolzen 8 in Strö­ mungsverbindung mit dem axialen Zufuhrkanal 14 in der Nockenwelle 2 stehen. Ferner besitzt der bisher als Druckraum bezeichnete Raum 16 die Belüftungsbohrung 35, so daß bei Öldruckaufbau in der Druckkam­ mer 32, die in Abweichung von der Ausführungsform nach Fig. 1 keine Druckfeder enthält, der Kupplungsbolzen 8 in seine in Fig. 3 dargestellte Verbindungsstellung geschoben und in dieser gehalten wird. Während also in der Ausführungsform nach Fig. 1 diese Ver­ bindungsstellung durch die Kraft der Druckfeder 9 erzielt und ge­ wahrt wird und zum Bewegen in die Freigabestellung ein Druckaufbau in dem Druckraum 16 erforderlich ist, dient die Druckmittelzufuhr in der Ausführungsform nach Fig. 3 der Erzielung und Wahrung der Verbindungsstellung des Kupplungsbolzens 8.

Die Bewegung des Kupplungsbolzens 8 aus seiner in Fig. 3 gezeigten Verbindungsstellung in seine in Fig. 4 wiedergegebene Freigabe­ stellung kann nach Druckabbau in der Druckkammer 32 durch verschie­ dene Maßnahmen einzeln oder in Kombination sichergestellt werden. Zum einen erzeugt die schräge Konusfläche 11 Mitnahmekräfte mit Kraftkomponenten, die in Richtung der Achse 33 des Kupplungsbolzens 8 verlaufen und diesen demgemäß im Sinne einer Verkürzung der - druckentlasteten - Druckkammer 32 zu bewegen suchen. Die gleiche Wirkung hat das Anlegen eines Unterdrucks an die Druckkammer 32, da dann der in der Kupplungsausnehmung 12 herrschende Atmosphärendruck den Kupplungsbolzen 8 in seine Freigabestellung zu drücken sucht.

Zumindest zur Sicherung der Freigabestellung des Kupplungsbolzens 8 kann dieser so ausgelegt sein, daß sein Massenmittelpunkt zumindest in der Freigabestellung in der in Fig. 3 unteren Längsschnitthälf­ te der Nockenwelle 2 liegt. Dadurch ergibt sich eine Fliehkraftsta­ bilisierung der Freigabestellung des Kupplungsbolzens 8. Auch eine magnetische Arretierung ist möglich, vorzugsweise in dem der Druck­ kammer 32 benachbarten Stirnwandbereich des Druckbolzens 8.

In Fig. 4 sind zu diesem Zweck Möglichkeiten angegeben, die eine Sicherung der Freigabestellung des Kupplungsbolzens 8 durch Öl­ druckbeaufschlagung des Druckraums 16 vorsehen. Voraussetzung ist dabei stets eine Druckentlastung des Zufuhrkanals 14. Ein beson­ derer Vorteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, daß zugleich eine Schmierung der zusammenwirkenden Flächen von Nockenwelle 2 und Nocken 4 während der Desaktivierungsphasen des Nockens sicherge­ stellt ist.

Der axiale Zufuhrkanal 14 scheidet nach dem oben Gesagten für die Zufuhr von Drucköl zum Druckraum 16 aus. Daher ist im Bereich der bei desaktiviertem Nocken 4 auf dem Tassenstößel 6 aufliegenden Nockenflanke 4b die Öffnung 36 vorgesehen, die bei desaktiviertem Nocken entweder direkt oder über eine Vertiefung mit der Ölaus­ trittsöffnung 37 des hydraulischen Tassenstößels 6 kommuniziert, so daß aus diesem austretendes Öl über die Öffnungen 37 und 36 in den Zwischenraum 38 zwischen den einander zugekehrten Umfangsflächen von Nockenwelle 2 und Nocken 4 gelangt. Wie Fig. 4 deutlich erken­ nen läßt, ist die Führungsnut 23, die gemäß den Erläuterungen zu den Fig. 1 und 2 zur Erleichterung des Einrastens des Kupplungs­ bolzens 8 in die Kupplungsausnehmung 12 dient, bis in den Bereich der Öffnung 36 verlängert. Bei desaktiviertem Nocken, d. h. in seiner in Fig. 4 gezeichneten Freigabestellung befindlichem Kupp­ lungsbolzen 8, wirkt nunmehr der über Öffnung 37 eingespeiste Motoröldruck an der in Fig. 4 oberen Stirnseite des Kupplungs­ bolzens 8.

In Fig. 4 ist eine weitere Lösung dieses Problems eingezeichnet, die für den Fall gilt, daß kein Hydrostößel, sondern beispielsweise ein rein mechanisch arbeitender Tassenstößel, vorhanden ist. Dann kommt die Öffnung 37 im Stößelboden in Fortfall, jedoch bleibt die Öffnung 36 im Flankenbereich 4b des Nockens 4 erhalten. Der Stößel­ boden ist nun als Ölauffangwanne 39 für Spritzöl ausgeführt, und die Rotation der Nockenwelle 2 relativ zu dem desaktivierten Nocken 4 sorgt unter Ausnutzung der Scherkräfte für den Öltransport durch die Öffnung 36 und für den Öldruckaufbau vor der in Fig. 4 oberen Stirnseite des Kupplungsbolzens 8.

Es kann zweckmäßig sein, wenn man für diesen Öltransport aus der "Ölwanne" 39 in den Druckraum 16 nicht die im Querschnitt relativ große und daher Anlaß zu Rückströmungen gebende Führungsnut 23 aus­ nutzt, sondern eine axial zu dieser versetzte Nut mit kleinem Quer­ schnitt vorsieht.

Mit der Erfindung ist demgemäß mit einfachen Mitteln eine platzspa­ rende Nockenwellenanordnung mit zumindest einem desaktivierbaren Nocken geschaffen.

Claims (16)

1. Nockenwellenanordnung mit zumindest einem desaktivierbaren Nocken auf einer Nockenwelle, dem eine hydraulisch betätigbare Kupplung zur wahlweisen Herstellung und Aufhebung einer dreh­ festen Verbindung mit der Nockenwelle zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung einen in einer radialen Ausneh­ mung der Nockenwelle (2) zwischen einer Verbindungsstellung, in der er in eine innere Kupplungsausnehmung (12) des Nockens (4) zur Herstellung der drehfesten Verbindung eingreift, und einer Freigabestellung verschiebbaren Kupplungsbolzen (8) enthält, in der er aus der Kupplungsausnehmung (12) zur Aufhebung der dreh­ festen Verbindung herausbewegt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kupp­ lungsbolzen (8) einen konusförmigen Kopfbereich (10) und die Kupplungsausnehmung (12) einen konusförmigen Sitzbereich (11) für diesen aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung der Relativbewegung zwischen Kupplungsbolzen (8) und Nocken (4) in Umfangsrichtung vor der Kupplungsausnehmung (12) eine mit zunehmender Tiefe ausgeführte Führungsnut (23) für den Kupplungsbolzen (8) im Nocken (4) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich auf dem der Kupplungsausnehmung (12) abge­ kehrten Ende des Kupplungsbolzens (8) eine Druckfeder (9) in der Nockenwelle (2) abstützt und die Kupplungsausnehmung (12) im Nocken (2) in einen mit einem Druckmedium gefüllten Druckraum (16) übergeht.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckraum (16) mit einem axialen Zufuhrkanal (14) in der Nocken­ welle (2) über zumindest einen Verbindungskanal (15) im Nocken (4) oder im Kupplungsbolzen (8) kommuniziert.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die radiale Ausnehmung der Nockenwelle (2) für den Kupplungsbolzen (8) und die innere Kupplungsausnehmung (12) des Nockens (4) in Längsschnitten gegen die Achse (13) der Nocken­ welle (2) geneigt verlaufen und der Nocken (4) im Grundkreisbe­ reich (4a) eine bearbeitungsbedingte einseitige Verringerung (31) seiner Breite aufweist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Ausnehmung der Nockenwelle (2) auf der der Kupplungsausnehmung (12) abgekehrten Stirnseite des Kupplungsbolzens (8) eine mit einer Druckmediumzufuhr (14) in Verbindung stehende Druckkammer (32) bildet und der Kupplungs­ ausnehmung (12) eine Druckentlastung (35) zugeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (32) mit einem axialen Zufuhrkanal (14) für ein Druckmedium in der Nockenwelle (2) über zumindest einen Ver­ bindungskanal (33, 34) im Kupplungsbolzen (8) kommuniziert.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenmittelpunkt des Kupplungsbolzens (8) zumindest in seiner Freigabestellung zwischen der Achse (13) der Nockenwelle (2) und der Druckkammer (32) liegt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Druckkammer (32) zum Verschieben des Kupplungs­ bolzens (8) in seine Freigabestellung mit Unterdruck und die Kupplungsausnehmung (12) zumindest mit Atmosphärendruck beauf­ schlagbar ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Magnethaftung für den Kupplungsbolzen (8) in seiner Freigabestellung vorgesehen ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsausnehmung (12) zumindest zum Arretieren des Druck­ bolzens (8) in seiner Freigabestellung mit Öl unter Überdruck beaufschlagbar ist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ab­ stützung eines Hubventils (5) am Nocken (4) über einen Hydro­ stößel (6) im Boden desselben und in einer Flanke (4b) des Nockens (4) bei desaktiviertem Nocken (4) kommunizierende Öl­ durchtrittsöffnungen (37, 36) für den Öltransport aus dem Hydrostößel (6) in die Kupplungsausnehmung (12) vorgesehen sind.

14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Öl­ transport aus einem äußeren Ölvolumen (39) durch eine nockensei­ tige Öldurchtrittsöffnung (36) in die Kupplungsausnehmung (12) die zusammenwirkenden Oberflächen von Nockenwelle (2) und in seiner Freigabestellung befindlichem Nocken (4) einen Öltrans­ port durch ihre Relativgeschwindigkeit sicherstellend ausgelegt sind.

15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich am Nocken (4) abstützendes Teil nach Art eines Tassenstößels (6) eine Ölwanne (39) bildet.

16. Anordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der zusammenwirkenden Oberflächen mit zumindest einer Nut versehen ist, deren Querschnitt im Hinblick auf ein gewünschtes Öldruckniveau gewählt ist.