DE102004008670B4

DE102004008670B4 - Ventiltrieb mit Nockenumschaltung für die Gaswechselventile eines 4-Takt-Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102004008670B4
Application number: DE102004008670A
Authority: DE
Inventors: Harald Elendt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-02-21
Filing date: 2004-02-21
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2024-02-22
Also published as: DE102004008670A1; WO2005080761A1; US20070178731A1; US7404383B2; CA2555076A1

Abstract

Ventiltrieb mit Nockenumschaltung für einen 4-Takt-Verbrennungsmotor mit einer Keilwelle (2) mit axialer Außenverzahnung (10) und mit einem Nockenstück (3) pro Zylinder (1) mit Innenverzahnung, durch die das Nockenstück (3) axial verschiebbar, aber verdrehfest mit der Keilwelle (2) verbunden ist, wobei das Nockenstück (3) pro Gaswechselventil (8) zwei nebeneinander liegende Nocken (13, 14) mit gleichem Grundkreisdurchmesser und ungleichem Hub aufweist, wobei an beiden Enden des Nockenstücks (3) zylindrische Endstücke (16) mit je einer Verschiebenut (17, 18) vorgesehen sind, in deren Umfang die Verschiebenuten (17, 18) radial zur Achse der Keilwelle (2) eingearbeitet und spiegelsymmetrisch ausgebildet sind, und mit zylinderkopffesten Aktuatorstiften (4, 5), die einzeln in jede Verschiebenut (17, 18) radial zur Achse der Keilwelle (2) einfahrbar sind, wobei durch Zusammenwirken von Aktuatorstiften (4, 5) und Verschiebenuten (17, 18) das Nockenstück (3) bei laufendem Motor axial hin- und her schiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verschiebenut (17, 18) auf der einen Seite...

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb mit Nockenumschaltung für die Gaswechselventile eines 4-Takt-Verbrennungsmotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Im Zuge der Bemühungen um Senkung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission moderner Verbrennungsmotoren bietet sich auch die Aussetzerregelung an. Hierbei wird durch zumindest zeitweiliges Abschalten einzelner Zylinder der Mitteldruck der noch feuernden erhöht. Dies führt zur Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs. Um die für eine effiziente und schadstoffarme Verbrennung erforderliche Betriebstemperatur sämtlicher Zylinder im Aussetzer-Betrieb zu gewährleisten, ist ein häufiger Wechsel zwischen gefeuerten und ungefeuerten Zylindern erforderlich.
In der DE 101 48 179 A1 ist eine Ventilhub- oder Nockenumschaltung für die Gaswechselventile eines 4-Takt-Verbrennungsmotors offenbart. Sie weist die folgenden Merkmale und Bauteile auf:
Eine Keilwelle mit axialer Außenverzahnung und ein Nockenstück pro Zylinder mit Innenverzahnung, wobei das Nockenstück axial verschiebbar und mit der Keilwelle verdrehfest verbunden ist;
Das Nockenstück weist pro Gaswechselventil zwei nebeneinander liegende Nocken mit gleichem Grundkreisdurchmesser und ungleichem Hub auf;
An beiden Enden des Nockenstücks sind zylindrische Endstücke vorgesehen, wobei am Umfang jedes Endstückes je eine spiegelsymmetrisch ausgebildete Verschiebenut radial eingearbeitet ist;
Zylinderkopffeste Aktuatorstifte, die einzeln in jede Verschiebenut radial zur Keilwellenachse einfahrbar sind, wobei durch das Zusammenwirken der Aktuatorstifte und der Verschiebenuten das Nockenstück bei laufendem Motor axial hin- und her schiebbar ist.
Zur Aussetzerregelung bedarf es pro Ventil eines Vollhubnockens und eines Nullhubnockens, die beim Wechsel zwischen feuerndem und nicht feuerndem Betrieb hin- und her geschoben werden. Das häufige und schnelle Umschalten der Nocken birgt die Gefahr von Überlastung und Verschleiß des Umschaltmechanismus, insbesondere der Verschiebenuten und Aktuatorstifte.
Vergleichbare Belastungsverhältnisse für Verschiebenuten und Aktuatorstifte liegen vor, wenn das Umschalten der Einlassnocken der Nockenpaare des Nockenstücks zur Realisierung eines Zweipunkt-Nockenwellenverstellers dient. Dazu weisen die Einlassnocken eines Nockenpaares gleichen Nockenhub, jedoch unterschiedliche Phasen für den Bereich niedriger und hoher Motordrehzahlen auf.
In ähnlicher Weise ist ein Ventiltrieb mit einer vollvariablen mechanischen Ventilhubverstellung in Kombination mit einem Nockenschaltsystem denkbar, bei dem jedes Einlassnockenpaar des Nockenstücks aus einem für niedrige Last und Drehzahl und einem für hohe Last und Drehzahl optimierten Einlassnocken besteht. Auf diese Weise kann der Bereich der niedrigen Last und Drehzahl verbrauchsgünstig und der Bereich der hohen Last und Drehzahl leistungsstark betrieben werden. In diesen beiden Fällen der Nockenumschaltung ist die Häufigkeit des Umschaltens verglichen mit der bei Aussetzerregelung gering.
Es ist weiterhin ein Ventiltrieb mit einer Ventilhubumschaltung für die Gaswechselventile bekannt ( DE 101 48 243 A1 ), die entsprechend dem erstgenannten Dokument ausgebildet ist, sich aber auf die Arretierung des Nockenstücks in axialer Richtung zur Keilwellenachse konzentriert. Dabei wird darauf hingewiesen, dass die Verschiebenuten einen schraubenförmigen Verlauf aufweisen, ohne näher darauf einzugehen.
Bei dem Ventiltrieb gemäß der DE 100 54 623 A1 weist das Nockenstück einen ausfahrbaren Pin auf, der mit Kulissenbahnen einer außen um das Nockenstück zylinderkopffest angeordneten Kulisse in Wirkverbindung treten kann. Die Kulissenbahnen weisen in sanften Übergängen einen Einlassbereich für den Pin, einen schräg dazu verlaufenden Stellbereich und einen Auslaufbereich auf. Weitergehende Angaben zu den Kulissenbahnen und den Übergängen enhält das Dokument nicht.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Ventiltrieb zu schaffen, der sich durch beherrschbare Belastung und geringen Verschleiß sowie hohe Schaltdrehzahl auszeichnet.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Ventiltrieb mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Dadurch, dass jede Verschiebenut eine Beschleunigungsflanke mit einer Auftrefframpe aufweist, deren konstante, geringe Steigung eine entsprechend konstante, niedrige axiale Anfangsgeschwindigkeit des Nockenstücks und eine geringe Auftreffkraft der Aktuatorstifte verursacht, wird ein Verschleiß der Verschiebenuten und der Aktuatorstifte weitgehend vermieden. Dadurch wird eine höhere Schaltdrehzahl erreicht und das Schaltgeräusch minimiert. Zur Vermeidung von Verschleiß und Überlastung der Auftrefframpen und der Aktuatorstifte hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Steigung der Auftrefframpe im Bereich von 5 bis 50 μm pro Grad liegt.
Von Vorteil ist auch, dass das Axialspiel der Aktuatorstifte parallel zur Achse der Keilwelle in den Verschiebenuten abhängig von den Toleranzen im Einlaufbereich, beispielsweise 1,2 mm beträgt, sich bis zum Übergabepunkt zwischen der Beschleunigungs- und einer Bremsflanke auf beispielsweise 0,1 mm vermindert und sich bis zum Auslaufbereich auf beispielsweise 0,2 mm vergrößert. Das relativ große axiale Spiel im Einlaufbereich der Verschiebenuten dient der Aufnahme von axialen Lagetoleranzen der zylinderkopffesten Aktuatorstifte und der auf dem mit der Keilwelle axial verschiebbar verbundenen Nockenstück angeordneten Verschiebenuten. Das geringe Axialspiel zwischen Aktuatorstiften und Verschiebenuten parallel zur Achse der Keilwelle im Bereich des Übergabepunkts bewirkt einen praktisch stoßfreien Anlagewechsel der Aktuatorstifte von der Beschleunigungs- zur Bremsflanke der Verschiebenuten. Das etwas größere Axialspiel im seitenkraftfreien Auslaufbereich gestattet eine etwas gröbere Bearbeitung dieses Teils der Verschiebenuten. Da sich der Grundkreisbereich der Nocken vom Beginn der Auftrefframpe bis zum Ende des Bremsbereichs, d. h. im Bereich der axialen Verschiebebewegung der Nockenstücke erstreckt, ist ein stufenfreier Wechsel von Nocken zu Nocken ermöglicht. Von Vorteil ist auch, dass die Verschiebenuten am Umfang der zylindrischen Endstücke mit einem Tiefeneinlaufbereich beginnen und mit einem Tiefenauslaufbereich enden und dass dazwischen ein Tiefenbereich mit konstanter Tiefe vorgesehen ist. Für die Haltbarkeit der Aktuatorstifte ist es von Vorteil, dass der Tiefenbereich vor der Auftrefframpe der Beschleunigungsflanke beginnt und sich bis zum Ende des Bremsbereichs erstreckt. Dadurch befindet sich der Aktuatorstift während seiner Beanspruchung durch die axiale Verschiebekraft im Tiefenbereich der Verschiebenuten und wird auf seiner Gesamtlänge beansprucht. Auf diese Weise befinden sich die Aktuatorstifte bei Seitenkraftbeaufschlagung im Tiefenbereich der Verschiebenuten, so dass zur Aufnahme der Seitenkräfte eine größtmögliche Oberfläche von Aktuatorstiften und Verschiebenutflanken verfügbar ist. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist.
Dabei zeigen:
1 Eine Seitenansicht eines Ventiltriebs mit Nockenumschaltung für Aussetzerregelung;
2 Ein zylindrisches Endstück mit einer erfindungsgemäßen Verschiebenut;
3 Eine Abwicklung einer Beschleunigungs- und Bremsflanke der Verschiebenut von 2 in Draufsicht sowie eines Längsschnitts derselben.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen 4-Takt-Verbrennungsmotor mit Fremdzündung, der einen Ventiltrieb mit Nockenumschaltung aufweist. Der Ventiltrieb umfasst eine getrennte Einlass- und Auslassnockenwelle sowie zwei Einlass- und zwei Auslassventile pro Zylinder.
1 zeigt einen Zylinder 1 mit Teilen dieses Ventiltriebs. Dazu gehören unter Anderem eine Keilwelle 2, ein Nockenstück 3 pro Zylinder 1, zwei Aktuatorstifte 4 und 5 pro Nockenstück 3 und zwei Nockenfolger 6 mit Rollen 7 für zwei Gaswechselventile 8. Diese können als Ein- oder Auslassventile dienen. Die Keilwelle 2 weist auf ganzer Länge eine axiale Außenverzahnung 10 auf. Passend dazu ist das Nockenstück 3 mit einer axialen Innenverzahnung versehen, durch die dasselbe verdrehfest, aber axial verschiebbar mit der Keilwelle 2 verbunden ist. Das Nockenstück 3 weist an seinem Außenumfang eine Lagerstelle 11 auf, die zur Abstützung der Keilwelle 2 dient. Ein dazu gehörendes Lager 12 ist im Zylinder 1 in der Mitte zwischen dessen Gaswechselventilen 8 angeordnet. Die Lagerstelle 11 ist flankiert von Teil- bzw. Nullhubnocken 13 und Vollhubnocken 14, die unmittelbar nebeneinander und in gleicher Reihenfolge als Nockenpaare 15 angeordnet sind. Die Nullhubnocken 13 und Vollhubnocken 14 weisen gleichen Grundkreisdurchmesser auf, wodurch eine axiale Verschiebung derselben möglich ist. Unmittelbar an die beiden Nockenpaare 15 schließen sich zylindrische Endstücke 16 an. Jedes der zylindrischen Endstücke 16 weist je eine Verschiebenut 17 und 18 auf. Diese sind schraubenförmig ausgebildet und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet, so dass jede Verschiebenut 17 und 18 eine andere Verschieberichtung bewirkt. Die Enden der Verschiebenuten 17 und 18 laufen in den Umfang der zylindrischen Endstücke 16 aus. Die Aktuatorstifte 4 und 5 sind zylinderkopffest angeordnet und radial auf die Achse der Keilwelle 10 hin bewegbar. Durch wechselweises Einfahren der Aktuatorstifte 4 und 5 in die Verschiebenuten 17, 18 werden die Nullhubnocken 13, und Vollhubnocken 14 im Motorbetrieb um Nockenbreite axial verschoben. Die Aktuatorstifte 4 und 5 werden durch einen Tiefeneinlaufbereich 9 in die Verschiebenuten 17 und 18 geleitet und durch einen Tiefenauslaufbereich 9a der Verschiebenuten 17 und 18 in ihre Ausgangsposition zurück transportiert und arretiert. Das Nockenstück 3 wird in seinen jeweiligen Endlagen fixiert. Die Nocken 13 und 14 treiben über Rollen 7 der Nockenfolger 6 die Gaswechselventile 8 an. Bei den Nockenfolgern 6 handelt es sich um Schlepp- oder Schwinghebel. Es sind aber auch Kipphebel oder Tassenstößel denkbar.
Details der erfindungsgemäßen Ausbildung der Verschiebenuten 17 und 18 gehen aus den 2 und 3 hervor.
2 zeigt eines der zylindrischen Endstücke 16 mit der Verschiebenut 17. Diese besitzt einen Tiefeneinlaufbereich 9, den Tiefenauslaufbereich 9a und einen dazwischen liegenden Tiefenbereich 19. Die seitliche Begrenzung der Verschiebenut 17 erfolgt durch eine Beschleunigungsflanke 20 und eine Bremsflanke 21.
In 3 sind Abwicklungen einer Draufsicht der Beschleunigungsflanke 20 und der Bremsflanke 21 und eines Längsschnitts der Verschiebenut 17 dargestellt, die in gleicher Weise für die Verschiebenut 18 gelten.
Der Abstand zwischen der Beschleunigungsflanke 20 und der Bremsflanke 21 stellt das Axialspiel des nicht gezeigten Aktuatorstifts 4 oder 5 in der Verschiebenut 17 oder 18 parallel zur Achse der Keilwelle 2 in Abhängigkeit von der Drehwinkellage des Nockenstücks 3 dar. Die Beschleunigungsflanke 20 beginnt mit einem Einlaufbereich 22, in dem der Aktuatorstift 4 über den Tiefeneinlaufbereich 9 in die Verschiebenut 17 eintaucht. Der Einlaufbereich 22 mündet in einer Auftrefframpe 23. Diese ist mit einer Steigung von 5 bis 50 μm pro Grad verhältnismäßig flach ausgelegt, um den Auftreffstoß und damit den Verschleiß des Aktuatorstifts 4 und der Auftrefframpe 23 niedrig und die Schaltdrehzahl des Nockenstücks 3 möglichst hoch zu halten. Parallel zum Einlaufbereich 22 der Beschleunigungsflanke 20 erstreckt sich der Freilaufbereich 24 der Bremsflanke 21 mit 1,2 mm Axialspiel parallel zur Achse der Keilwelle. Dieses relativ große Axialspiel für den Aktuatorstift 4 dient dessen sicherem Eintauchen in die Verschiebenut 17 unter Berücksichtigung der axialen Positionstoleranzen des zylinderkopffesten Aktuatorstifts 4 und der auf dem mit der Keilwelle 2 axial verschiebbar verbundenen Nockenstück 3 angeordneten Verschiebenut 17. Die axialen Positionstoleranzen werden im Bereich der Auftrefframpe 23 aufgenommen. Das Axialspiel des Aktuatorstifts 4 verringert sich im Bereich der linearen Auftrefframpe 23, während die Axialgeschwindigkeit des Aktuatorstifts 4 in diesem Bereich konstant ist. Im Beschleunigungsbereich 25 steigt die Axialgeschwindigkeit des Nockenstücks 3 bis zum Erreichen eines Übergabepunkts 26 an. Dort findet ein Anlagewechsel von der Beschleunigungsflanke 20 zur Bremsflanke 21 statt. Da sich das Axialspiel des Aktuatorstifts 4 im Freilaufbereich 29 der Bremsflanke 21 bis zum Übergabepunkt 26 auf nur 0,1 mm verringert, verläuft der Anlagewechsel praktisch stoßfrei. Von dort aus beginnt der Freilaufbereich 27 der Beschleunigungsflanke 20 und der Bremsbereich 28 der Bremsflanke 21, die in den Auslaufbereich 30 mündet. Im Auslaufbereich 30 erreicht das Axialspiel des Aktuatorstifts 4 wieder 0,2 mm, mit dem derselbe aus der Verschiebenut 17 austaucht.
Im unteren Teil von 3 ist die Abwicklung der Verschiebenut 17 dargestellt, mit dem Tiefeneinlaufbereich 9, dem Tiefenbereich 19 und dem Tiefenauslaufbereich 9a. Das Eintauchen des Aktuatorstifts 4 in die Verschiebenut 17 erfolgt im Einlaufbereich 22 der Beschleunigungsflanke 20 und im Freilaufbereich 24 der Bremsflanke 21, während das Austauchen im Freilaufbereich 27 der Beschleunigungsflanke 20 und im Auslaufbereich 30 der Bremsflanke 21 erfolgt. Der für die Verschiebung der Nocken wichtige Grundkreisbereich 31 beginnt mit dem Anfang der Auftrefframpe 23 und endet mit dem Abschluss des Bremsbereichs 28 der Bremsflanke 21 bzw. mit dem Beginn des Tiefenauslaufbereichs 9a der Verschiebenut 17.
Der erfindungsgemäße Ventiltrieb funktioniert folgendermaßen:
In 1 sind die Teil- bzw. Nullhubnocken 13 aktiviert. Dadurch bleiben die Gaswechselventile 8 geschlossen, so dass der betroffene Zylinder 1 nicht feuern kann. Das Nockenstück 3 ist in seiner linken Position arretiert und beide Aktuatorstifte 4 und 5 befinden sich außerhalb der Verschiebenuten 17 und 18. Durch Einfahren des Aktuatorstifts 5 in die Verschiebenut 18 wird das Nockenstück 3 bei einer Umdrehung der Keilwelle 2 im Drehwinkelbereich von 180 bis 380° Nockenwinkel des gemeinsamen Grundkreisbereichs 31 um Nockenbreite nach rechts verschoben und arretiert. Dadurch werden die Vollhubnocken 14 aktiviert, so dass der Gaswechsel funktioniert und der Zylinder 1 feuern kann. Nach Durchlaufen des Tiefenprofils der Verschiebenut 18 wird der Aktuatorstift 5 am Ende der Keilwellenumdrehung durch den Tiefenauslaufbereich 9a ausgefahren.
Durch Einfahren des Aktuatorstifts 4 in die Verschiebenut 17 kann das Nockenstück 3 nach links verschoben werden. Dadurch werden die Nullhubnocken 13 aktiviert, was zum Ausfall von Gaswechsel und feuerndem Betrieb führt.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Verschiebenuten 17 und 18 mit der relativ flachen Auftrefframpe 23 der Beschleunigungsflanke 20 gelangen die Aktuatorstifte 4 und 5 trotz des im Freilaufbereich 24 herrschenden relativ großen Axialspiels derselben schonend in die Verschiebenuten 17 und 18. Der Anlagewechsel zwischen Beschleunigungsflanke 20 und Bremsflanke 21 findet dank des im Übergabepunkt 26 vorliegenden geringen Axialspiels praktisch stoßfrei statt, so dass ein Verschleiß der Verschiebenuten 17 und 18 und der Aktuatorstifte 4 und 5 auch bei erhöhter Schaltdrehzahl weitgehend vermieden werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Zylinder
2: Keilwelle
3: Nockenstück
4: Aktuatorstift
5: Aktuatorstift
6: Nockenfolger
7: Rolle
8: Gaswechselventil
9: Tiefeneinlaufbereich
9a: Tiefenauslaufbereich
10: Axiale Außenverzahnung
11: Lagerstelle
12: Lager
13: Nullhubnocken
14: Vollhubnocken
15: Nockenpaar
16: Zylindrisches Endstück
17: Verschiebenut
18: Verschiebenut
19: Tiefenbereich
20: Beschleunigungsflanke
21: Bremsflanke
22: Einlaufbereich
23: Auftrefframpe
24: Freilaufbereich
25: Beschleunigungsbereich
26: Übergabepunkt
27: Freilaufbereich
28: Bremsbereich
29: Freilaufbereich
30: Auslaufbereich
31: Grundkreisbereich Axialhub A Radialhub R

Claims

Ventiltrieb mit Nockenumschaltung für einen 4-Takt-Verbrennungsmotor mit einer Keilwelle (2) mit axialer Außenverzahnung (10) und mit einem Nockenstück (3) pro Zylinder (1) mit Innenverzahnung, durch die das Nockenstück (3) axial verschiebbar, aber verdrehfest mit der Keilwelle (2) verbunden ist, wobei das Nockenstück (3) pro Gaswechselventil (8) zwei nebeneinander liegende Nocken (13, 14) mit gleichem Grundkreisdurchmesser und ungleichem Hub aufweist, wobei an beiden Enden des Nockenstücks (3) zylindrische Endstücke (16) mit je einer Verschiebenut (17, 18) vorgesehen sind, in deren Umfang die Verschiebenuten (17, 18) radial zur Achse der Keilwelle (2) eingearbeitet und spiegelsymmetrisch ausgebildet sind, und mit zylinderkopffesten Aktuatorstiften (4, 5), die einzeln in jede Verschiebenut (17, 18) radial zur Achse der Keilwelle (2) einfahrbar sind, wobei durch Zusammenwirken von Aktuatorstiften (4, 5) und Verschiebenuten (17, 18) das Nockenstück (3) bei laufendem Motor axial hin- und her schiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verschiebenut (17, 18) auf der einen Seite durch eine Beschleunigungsflanke (20) mit einem Einlaufbereich (22) und einer Auftrefframpe (23), in der der Einlaufbereich (22) mündet und die eine konstante Steigung zwischen 5 und 50 μm pro Grad aufweist, sowie mit einem sich an die Auftrefframpe (23) anschließenden Beschleunigungsbereich (25) und auf der Gegenseite durch eine Bremsflanke (21) begrenzt ist und dass sich das Axialspiel der Aktuatorstifte (4, 5) parallel zur Achse der Keilwelle (2) in den Verschiebenuten (17, 18) im Bereich der Auftrefframpe (23) verringert.
Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialspiel der Aktuatorstifte (4, 5) parallel zur Achse der Keilwelle (2) in den Verschiebenuten (17, 18) im Einlaufbereich (22) 1,2 mm beträgt, sich bis zu einem Übergabepunkt (26) zwischen der Beschleunigungsflanke (20) und der Bremsflanke (21) auf 0,1 mm vermindert und sich bis zum Auslaufbereich (30) auf 0,2 mm vergrößert.
Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verschiebenut (17, 18) am Umfang der zylindrischen Endstücke (16) mit einem Tiefeneinlaufbereich (9) beginnt und mit einem Tiefenauslaufbereich (9a) endet und dass dazwischen ein Tiefenbereich (19) mit konstanter Tiefe vorgesehen ist.
Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefenbereich (19) vor der Auftrefframpe (23) der Beschleunigungsflanke (20) beginnt und sich bis zum Ende des Bremsbereichs (28) erstreckt.