EP0623190B1

EP0623190B1 - Stössel mit hydraulischem ventilspielausgleich und leerhubkolben

Info

Publication number: EP0623190B1
Application number: EP92922696A
Authority: EP
Inventors: Walter Speil
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1992-01-22
Filing date: 1992-10-21
Publication date: 1995-05-31
Anticipated expiration: 2012-10-21
Also published as: DE59202419D1; WO1993015308A1; EP0623190A1; US5408959A; DE4201618A1

Abstract

Bei einem Stößel (2) mit einem hydraulischen Spielausgleichselement (8), bestehend aus einem Hochdruckraum (18), einem Gehäuse (3), mit einem federbelasteten, längsverschieblich gleitenden Ausgleichskolben (15) und mit einem Leerhubkolben (11) geringeren Durchmessers als der Ausgleichskolben (15), soll eine geringfügige Nachgiebigkeit des Ventiltriebes während der Grundkreisphase eines Nockens (6) mit geringem fertigungstechnischen Aufwand realisiert werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verhältnis der dem Hochdruckraum (18) zugewandten projizierten Kolbenfläche (20) des Ausgleichskolbens (15) zu der dem Hochdruckraum (18) zugewandten projizierten Kolbenfläche (19) des Leerhubkolbens (11) > 3 ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stößel, bestehend aus einem von einem Hemd und einem Boden gebildeten Gehäuse, das ein konzentrisch angeordnetes hydraulisches Spielausgleichselement beinhaltet, welches aus einem federbelasteten, längsverschieblich gleitenden Ausgleichskolben und einem Hochdruckraum besteht, wobei der Ausgleichskolben sich einerseits auf einen Ventilschaft eines Gaswechselventils stützt und andererseits mit seiner dem Ventilschaft des Gaswechselventils abgewandten Kolbenfläche den Hochdruckraum begrenzt und aus einem Leerhubkolben geringeren Durchmessers als der Ausgleichskolben, auf dessen Kolbenfläche der hydraulische Druck des Hochdruckraumes wirkt.
Diese Stößel werden im Ventiltrieb von Verbrennungsmotoren verwendet. Sie dienen einem Ausgleich von Längenänderungen infolge von Verschleiß, thermischer Dehnung und Fertigungstoleranzen. Die bisher bekannten Stößel gleichen diese Längenänderungen zu Beginn der Grundkreisphase des Nockens, das heißt nach realisiertem Ventilhub, auf Null aus. Somit entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Nocken und einem Ventil.
Als nachteilig bei diesen Einrichtungen erweist es sich, daß beispielsweise bei Grundkreisfehlern des Nockens, Verlagerungen der Nockenwelle wegen Transversalschwingungen und/oder Nockenwellenlagerspiels die Ventile während der Grundkreisphase des Nockens entlastet oder sogar aufgedrückt werden. Dies kann beispielsweise zu Reibungsverlusten, erhöhten Abgasemissionswerten oder unrundem Motorlauf führen.
Um diese Nachteile auszugleichen, wurde versucht, eine geringfügige Nachgiebigkeit des Ventiltriebes während der Grundkreisphase des Nockens zu erzielen.
Ein derartiger Stößel mit einer Leerhubeinrichtung geht aus der GB-PS 14 98 460 hervor. Bei dieser Ausführung ist der Hochdruckraum an der dem Ausgleichskolben gegenüberliegenden Seite durch einen schwimmenden Kolben abgeschlossen. Da dieser Kolben eine geringfügig kleinere Kolbenfläche zum Hochdruckraum als der Ausgleichskolben aufweist, wird eine gewisse Leerhubwirkung erzielt. Jedoch sind bei dieser Einrichtung die Flächenverhältnisse des Ausgleichskolbens zum schwimmenden Kolben schlecht gestaltet. Die Leckrate des schwimmenden Kolbens erweist sich aufgrund seiner relativ großen Mantelfläche ungünstig, oder ist fertigungstechnisch nur schwer zu definieren. Desweiteren zeigt sich eine genaue Einstellung des Leerhubes aufgrund des nahe 1 liegenden Flächenverhältnisses der Fläche des Ausgleichskolbens zu der Fläche des schwimmenden Kolbens als schwierig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stößel mit hydraulischem Ventilspielausgleich und Leerhubkolben zu schaffen, bei dem die eingangs beschriebenen Nachteile beseitigt sind, und eine geringfügige Nachgiebigkeit des Ventiltriebes während der Grundkreisphase des Nockens realisiert ist, und wobei der durch den Leerhubkolben erzeugte Leerhub genau definierbar und über die Lebensdauer des Stößels nahezu konstant und der Fertigungsaufwand für einen derartigen Stößel gering ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß das Verhältnis der dem Hochdruckraum zugewandten projizierten Kolbenfläche des Ausgleichskolbens zu der dem Hochdruckraum zugewandten projizierten Kolbenfläche des Leerhubkolbens > 3 ist.
Durch diese Ausbildung gelingt es, einen genau definierten Leerhub zu erzielen, wobei die fertigungstechnischen Anforderungen aufgrund des obengenannten Flächenverhältnisses für die Ausbildung des Leernubkolbens niedrig gehalten sind. Durch das obengenannte Flächenverhältnis > 3 ist die Wirksamkeit des Leerhubkolbens auch schon bei geringen Grundkreisfehlern des Nockens oder ähnlichem gegeben. Je größer man dieses Flächenverhältnis wählt, desto empfindlicher reagiert der Leerhubkolben auf beispielsweise die obengenannten Grundkreisfehler, oder desto ungenauer kann die Auslegung der Hubtoleranz des Leerhubkolbens sein.
Weitere erfindungsgemäße Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im folgenden näher beschrieben.
Aus den Ansprüchen 2 und 3 geht eine bevorzugte Anordnung des Leerhubkolbens hervor. Durch die Anordnung in einem Kantenbereich zwischen dem Gehäuseboden und dem Hemd ist der Leerhubkolben von dem Ausgleichskolben getrennt. Diese Aufnahme für den Leerhubkolben im Gehäuse läßt sich fertigungstechnisch relativ einfach bewältigen.
Die Ansprüche 4 bis 6 betreffen die Ausbildung des Leerhubkolbens direkt im Ausgleichskolben integriert. Dabei kann, wie in Anspruch 4 beschrieben, der Anschlag für den Leerhubkolben gleichzeitig durch den Flansch der Ventilkappe des Rückschlagventiles des Ausgleichskolbens gebildet sein. Diese Lösung läßt sich konstruktiv relativ einfach herstellen. Die Anschläge für den Leerhubkolben sind jedoch auch aus in den Ausgleichskolben eingebrachten Metallplatten oder ähnlichem denkbar, wobei der Leerhub auch durch eine Kugel oder einen anderen geeigneten Gegenstand realisiert werden kann. Es ist hier auch möglich, die Leerhubbewegung der Kugel durch eine Feder zu unterstützen.
Anspruch 7 bezieht sich noch einmal direkt auf die Federunterstützung des Leerhubkolbens. Diese Feder bewirkt, daß zuerst der Leerhubkolben am Ende des Hubes des Nockens in seine dem Hochdruckraum zugewandte äußere Stellung geschoben wird, damit während dar Grundkreisphase des Nockens eine eventuell erforderliche Leerhubberwegung realisiert werden kann.
Eine Möglichkeit der Verwirklichung des Leckspaltes über den Leerhubkolben beschreibt der Anspruch 8. Denkbar ist, die Leckrate komplett oder zumindest teilweise über den Leerhubkolben zu bestimmen. Der gegenüber dem Ausgleichskolben kleinere Leckspaltumfang erlaubt ein größeres Leckspaltspiel. Dies bedeutet wiederum die Möglichkeit einer erweiterten Fertigungstoleranz für den Leerhubkolben oder einer eingeengten Absinktoleranz für den Ausgleichskolben.
Die Ansprüche 9 und 10 beziehen sich auf die Möglichkeit der direkten Befestigung des Rückschlagventiles des Ausgleichskolbens auf dem Leerhubkolben, wobei das Rückschlagventil die Leerhubbewegung des Leerhubkolbens mit ausführt. Diese Lösung betrifft insbesondere die Anordnung des Leerhubkolbens in einer Bohrung des Ausgleichskolbens. Es kann in diesem Fall wiederum auf eine separate Bohrung für den Leerhubkolben verzichtet werden.
Der Einsatz des hier beschriebenen Stößels soll sich nicht nur auf den Ventiltrieb von Verbrennungsmotoren beschränken. Denkbar sind alle Bereiche, in denen es infolge von Wärmedehnung oder Verschleiß erforderlich ist, ein Spiel auszugleichen. Desweiteren sind die Merkmale dieser Erfindung nicht nur auf die hier aufgeführten Stößel begrenzt. Denkbar sind auch andere, als tassenförmige, direkt von einem Nocken beaufschlagte Stößel, beispielsweise solche als Einsteckelemente in Kipp- oder Schlepphebeln ausgebildete.
Die Erfindung ist nicht auf die Merkmale der Ansprüche beschränkt. Es ergeben sich auch Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale mit dem in den Vorteilsangaben und zum Ausgestaltungsbeispiel Offenbarten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt des oberen Teiles eines Zylinderkopfes,
Fig. 2: einen Längsschnitt eines vergrößert dargestellten Stößels,
Fig. 3: eine Schnittansicht eines Ausgleichskolbens mit integriertem Leerhubkolben,
Fig. 4: einen Ausschnitt aus dem in Fig. 2 dargestellten Stößel im Bereich von dessen Leerhubkolben,
Fig. 5: eine Schnittansicht eines Ausgleichskolbens mit integrierter Kugel als Leerhubelement,
Fig. 6: eine Schnittansicht eines weiteren Ausgleichskolbens mit integrierter Kugel und
Fig. 7: eine Schnittansicht eines Ausgleichskolbens mit integriertem Leerhubkolben.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt des oberen Teiles eines Zylinderkopfes 1. Der Stößel 2 besteht aus einem Gehäuse 3, welches im oberen Teil durch einen Boden 4 verschlossen ist. Das Gehäuse 3 wird mittels einer Gleitführung 5 im obengenannten Zylinderkopf 1 eines Verbrennungsmotors geführt. Ein Nocken 6 als Ventilsteuerelement verschiebt mit seiner Flanke 7 den Stößel 2 in eine vom Boden 4 des Stößels 2 abgewandte Richtung. Das Gehäuse 3 beinhaltet ein konzentrisch angeordnetes Spielausgleichselement 8. Der Aufbau und die Wirkungsweise des Spielausgleichselementes 8 werden an dieser Stelle nicht näher erläutert, da dies schon hinlänglich bekannt ist. Ein federbelasteter, in dieser Figur nicht dargestellter, Ausgleichskolben liegt mit seiner vom Boden 4 abgewandten Stirnseite an einem ebenfalls nicht sichtbaren Ende eines Ventilschaftes 9 eines Gaswechselventils 10 an. Ein erfindungsgemäßer Leerhubkolben 11 ist in einem Kantenbereich 12, welcher gebildet wird durch den Boden 4 des Gehäuses 3 und dem Hemd 13 des Stößels 2, integriert. Anhand der Figuren 2 und 4 soll der Aufbau und die Funktion des erfindungsgemäßen Stößels 2 mit Leerhubkolben 11 näher erläutert werden.
Aus Figur 2 ist ein Längsschnitt eines vergrößert dargestellten Stößels 2 entnehmbar. Das eigentliche Spielausgleichselement 8, mit dem Ausgleichskolben 15, ist axial in einer von dem Boden 4 des Stößels 2 ausgehenden und dort konzentrisch angeordneten Nabe 14 geführt. Der Leerhubkolben 11 ist detailliert der Figur 4 entnehmbar. Wirkt nun auf den Stößel 2 durch den Nocken 6 (siehe Figur 1) axial in eine vom Boden 4 des Nockens 6 abgewandte Richtung eine Kraft, erfolgt eine Belastung des Ausgleichskolbens 15. Ein Teil des im Hochdruckraum 18 befindlichen Öles wird verdrängt und bewirkt zunächst eine Verschiebung des Leerhubkolbens 11 in Richtung des Hemdes 13. Bevor also im Hochdruckraum 18 ein Hochdruck aufgebaut wird, vollzieht der Leerhubkolben 11 aufgrund der Flächenübersetzung seiner dem Hochdruckraum 18 zugewandten Kolbenfläche 19 zu der dem Hochdruckraum 18 zugewandten Kolbenfläche 20 des Ausgleichskolbens 15 eine Leerhubbewegung. Erst wenn der Druckaufbau im Hochdruckraum 18 erfolgt ist, ist der zum Öffnen des Ventiles 10 gegen die Kraft der Ventilfeder 21 (siehe Figur 1) notwendige Kraftschluß wirksam. Während des Hubes des Nockens 6 wird dann, wie bei bekannten Spielausgleichselementen, über einen nicht dargestellten Leckspalt ein bestimmtes geringes Ölvolumen aus dem Hochdruckraum 18 ausgepreßt, so daß am Ende des Hubes des Nockens 6 ein Bedarf an Öl im Hochdruckraum 18 entsteht. Wird nun der Ausgleichskolben 15 zum Ausgleich des während des Hubes des Nockens 6 entstandenen Spieles durch eine Rückstellfeder 22 in eine vom Boden 4 abgewandte Richtung gedrückt, so wird zuerst eine Bewegung des Leerhubkolbens 11 in Richtung des Hochdruckraumes 18 bis an einen Anschlag 23 erfolgen. Jetzt kann an dem nicht dargestellten Rückschlagventil (siehe Figur 3) der zum Öffnen dieses erforderliche Differenzdruck aufgebaut werden. Die aus dem Hochdruckraum 18 während des Hubes des Nockens 6 ausgepreßte Ölmenge wird jetzt wieder nachgesaugt. Würde nun, aufgrund von beispielsweise Grundkreisfehlern des Nockens 6, ein unerwünschtes Entlasten oder sogar Öffnen des Ventiles 10 gegenüber einem Ventilsitzring 24 (siehe Figur 1) auftreten, so wird dies durch die Nachgiebigkeit des Leerhubkolbens 11 gegenüber dem Hochdruckraum 18 ausgeglichen.
Figur 3 zeigt eine Schnittansicht eines Ausgleichskolbens 15 mit integriertem Leerhubkolben 11. Der Leerhubkolben 11 sitzt dabei konzentrisch und axial verschieblich in einer Bohrung 25 des Ausgleichskolbens 15 ein. Die Bewegung des Leerhubkolbens 11 in Richtung zum Hochdruckraum 18 wird dabei durch eine Feder 26, die sich einerseits an einem Boden 27 des Ausgleichskolbens 15 und andererseits an einem Boden 28 des Leerhubkolbens 11 abstützt, unterstützt. Die Funktionsweise des hier beschriebenen Ausgleichskolbens 15 für den Stößel 2 und die in den Figuren 5, 6 und 7 für weitere Ausführungsformen beschriebene, ist gleich der in Figur 2 genannten. Im Unterschied zu der in Figur 2 aufgezeigten Lösung, führt der Leerhubkolben 11 hier die Ausgleichsbewegung des Ausgleichskolbens 15 mit aus. Dabei kann es, wie in diesem Beispiel dargestellt, möglich sein, das Rückschlagventil 29 für den Ausgleichskolben 15 unmittelbar auf dem Leerhubkolben 11 anzuordnen.
Der Leerhubkolben 11 aus Figur 2 ist in Figur 4 detaillierter dargestellt. Eine Feder 30 stützt sich einerseits am Leerhubkolben 11 ab und ist andererseits von einer Kappe 31 begrenzt. Die Belastung des Leerhubkolbens 11 durch die Feder 30 erfolgt stets in Richtung des Hochdruckraumes 18 (siehe Figur 2).
Die Figuren 5 bis 7 zeigen weitere Varianten des Ausgleichskolbens 15 mit integriertem Leerhubkolben 11. Dabei ist es, wie die Figuren 5 und 6 zeigen, möglich, eine Kugel 32 als Leerhubkolben 11 zu verwenden und, wie in Figur 6 dargestellt, durch eine Feder 33, welche sich an einer Ventilkappe 34 abstützt, zu unterstützen. Die axiale Bewegung der Kugel 32 wird dabei zweckmäßigerweise von einer Platte 34a begrenzt, wobei auch weitere Anschlagformen denkbar sind.
Eine weitere Variante der Unterbringung des Leerhubkolbens 11 in dem Ausgleichskolben 15 ist aus Figur 7 ersichtlich. Der Leerhubkolben 11 ist dabei in eine im Ausgleichskolben 15 angeordnete Bohrung 33b integriert und bewegt sich entlang einer Achse, die sich in etwa parallel zur Längsmittelachse des Ausgleichskolbens 15 befindet. Als vorteilhafte Lösung erweist es sich, einen axialen Endanschlag des Leerhubkolbens 11 an einem Flansch 35 einer Ventilkappe 34 zu realisieren.

Bezugszahlenliste

1: Zylinderkopf
2: Stößel
3: Gehäuse
4: Boden
5: Gleitführung
6: Nocken
7: Flanke
8: Spielausgleichselement
9: Ventilschaft
10: Gaswechselventil
11: Leerhubkolben
12: Kantenbereich
13: Hemd
14: Nabe
15: Ausgleichskolben
16: Außenfläche
17: nicht vergeben
18: Hochdruckraum
19: Kolbenfläche
20: Kolbenfläche
21: Ventilfeder
22: Rückstellfeder
23: Anschlag
24: Ventilsitzring
25: Bohrung
26: Feder
27: Boden
28: Boden
29: Rückschlagventil
30: Feder
31: Kappe
32: Kugel
33: Feder
33b: Bohrung
34: Ventilkappe
34a: Platte
35: Flansch
36: Spalt
37: Bohrung
38: Ausnehmung

Claims

Stößel (2), bestehend aus einem von einem Hemd (13) und einem Boden (4) gebildeten Gehäuse (3), das ein konzentrisch angeordnetes hydraulisches Spielausgleichselement (8) beinhaltet, welches aus einem federbelasteten, längsverschieblich gleitenden Ausgleichskolben (15) und einem Hochdruckraum (18) besteht, wobei der Ausgleichskolben (15) sich einerseits auf einen Ventilschaft (9) eines Gaswechselventils (10) stützt und andererseits mit seiner dem Ventilschaft (9) des Gaswechselventils (10) abgewandten Kolbenfläche (20) den Hochdruckraum (18) begrenzt und aus einem Leerhubkolben (11) geringeren Durchmessers als der Ausgleichskolben (15), auf dessen Kolbenfläche (19) der hydraulische Druck des Hochdruckraumes (18) wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der dem Hochdruckraum (18) zugewandten projizierten Kolbenfläche (20) des Ausgleichskolbens (15) zu der dem Hochdruckraum (18) zugewandten projizierten Kolbenfläche (19) des Leerhubkolbens (11) > 3 ist.
Stößel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leerhubkolben (11) in einer radialen Bohrung (37) des Hemdes (13) angeordnet ist.
Stößel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leerhubkolben (11) in einem Kantenbereich (12), welcher gebildet wird durch den Boden (4) des Gehäuses (3) und einen Teil des Hemdes (13), angeordnet ist.
Stößel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leerhubkolben (11) in einer sich im Ausgleichskolben (15) befindlichen Bohrung (25) angeordnet ist.
Stößel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegung des Leerhubkolbens (11) entlang einer Achse der Bohrung (25) erfolgt, die sich parallel zur Längsmittelachse des Ausgleichskelbers (15) befindet.
Stößel nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Weg des Leerhubkolbens (11) an einer seiner Kolbenflächen (19) durch einen Anschlag an einem Flansch (35) einer Ventilkappe (34) eines Rückschlagventiles (29) des Ausgleichskolbens (15) begrenzt ist.
Stößel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leerhubkolben (11) in Richtung des Hochdruckraums (18) durch eine Feder (30) beaufschlagt ist.
Stößel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich zwischen einer radialen Außenfläche (16) des Leerhubkolbens (11) und der ihn umschließenden Bohrung (25) befindlicher Spalt (36) als Leckspalt für das im Hochdruckraum (18) befindliche Strömungsmittel dient.
Stößel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (29) des Ausgleichskolbens (15) an der dem Hochdruckraum (18) zugewandten Kolbenfläche (19) des Leerhubkolbens (11) befestigt ist.
Stößel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkappe (34) des Rückschlagventiles (29) in einer zylindrischen Ausnehmung (38) des Leerhubkolbens (11) befestigt ist.