DE102007052253A1

DE102007052253A1 - Ventiltriebvorrichtung

Info

Publication number: DE102007052253A1
Application number: DE102007052253A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Lengfeld; Jens Dr. Ing. Meintschel; Thomas Dipl.-Ing. Stolk; Alexander Von Dipl.-Ing. Gaisberg-Helfenberg
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-11-03
Also published as: US20100237264A1; WO2009056221A1; DE102007052253B4

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Ventiltriebvorrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit einer Betätigungsvorrichtung (10a-g), die zumindest zwei über Aktuatoren (11a-g, 12a-g) angetriebene Schaltelemente (13a-g, 14a-g) aufweist, die dazu vorgesehen sind, in eine Schaltkulisse eines Nockenelements einzugreifen. Es wird vorgeschlagen, dass die Ventiltriebvorrichtung eine Sicherheitsvorrichtung (17a-g) aufweist, die dazu vorgesehen ist, (13a-g, 14a-g) zu verhindern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventiltriebvorrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind bereits Ventiltriebvorrichtungen, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit einer Betätigungsvorrichtung, die zumindest zwei über Aktuatoren angetriebene Schaltelemente aufweist, die dazu vorgesehen sind, in eine Schaltkulisse eines Nockenelements einzugreifen, bekannt.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Ventiltriebvorrichtung bereitzustellen, bei der ein Risiko einer Beschädigung durch eine Fehlfunktion gesenkt ist. Die Aufgabe wird jeweils gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche, wobei weitere Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer Ventiltriebvorrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit einer Betätigungsvorrichtung, die zumindest zwei über Aktuatoren angetriebene Schaltelemente aufweist, die dazu vorgesehen sind, in eine Schaltkulisse eines Nockenelements einzugreifen.
Es wird vorgeschlagen, dass die Ventiltriebvorrichtung eine Sicherheitsvorrichtung aufweist, die dazu vorgesehen ist, ein gleichzeitiges Ausfahren beider Schaltelemente zu verhindern. Dadurch wird die Betätigungsvorrichtung robust gegen Fehlfunktionen, bei denen beide Schaltelemente gleichzeitig ausfahren würden. Insbesondere kann dadurch ein Risiko einer Beschädigung der Betätigungsvorrichtung durch eine solche Fehlfunktion gesenkt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Sicherheitsvorrichtung mechanisch ausgeführt ist. Unter einer „mechanischen Sicherheitsvorrichtung" soll insbesondere eine Sperrvorrichtung verstanden werden, bei der mechanische Kräfte, die insbesondere durch einen Kontakt starrer Körper wirken, zum Sperren der Schaltelemente verwendet werden, wie beispielsweise Druckkräfte oder Reibungskräfte. Durch eine mechanische Sicherheitsvorrichtung kann eine besonders einfach konstruierte Sicherheitsvorrichtung realisiert werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Sicherheitsvorrichtung einen Aktuator aufweist, der zumindest teilweise einstückig mit einem Aktuator der Schaltvorrichtung ausgeführt ist. Dadurch kann die Stellkraft zum Verstellen der Schaltelemente für ein Schalten der Sicherheitsvorrichtung genutzt werden.
Weist die Sicherheitsvorrichtung einen Blockierstift auf, kann besonders einfach eine Sicherheitsvorrichtung realisiert werden.
Vorzugsweise ist in zumindest einem Schaltelement eine Ausnehmung eingebracht. Dadurch kann einfach ein mechanisches Gegenelement zu dem Blockierstift geschaffen werden, in das der Blockierstift eingreift und somit die Betätigungsvorrichtung sperrt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Sicherheitsvorrichtung elektrisch und/oder magnetisch ausgeführt ist. Unter einer „elektrischen und/oder magnetischen Sicherheitsvorrichtung" soll insbesondere eine Sicherheitsvorrichtung verstanden werden, bei der Kräfte zum Sperren der Schaltelemente verwendet werden, die über elektrische, elektromagnetische und/oder magnetische Felder wirken. Dadurch kann besonders einfach eine schaltbare Sicherheitsvorrichtung realisiert werden.
Vorzugsweise weist die Sicherheitsvorrichtung zumindest zwei elektrische Spulen auf, die dazu vorgesehen sind, ein magnetisches Feld zu erzeugen. Dadurch kann einfach eine Sperrkraft zum Sperren eines Betätigungselements erzeugt werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Sicherheitsvorrichtung zumindest eine elektrische Sicherheitsschaltung aufweist, die die beiden Spulen miteinander verbindet. Dadurch weist eine Polung der einen Spule eine definierte Richtung in Bezug auf eine Polung der anderen Spulen auf, wodurch einfach eine definierte Wechselwirkung mit einem korrespondierendem Bauteil, wie beispielsweise mit einen Permanentmagneten, erreicht werden kann. Vorteilhafterweise sind die Spulen parallel oder in Reihe geschaltet, wodurch sich eine gleichgerichtete Polung oder eine entgegengesetzt gerichtete Polung einfach erreichen lässt. Vorteilhafterweise kann die Schaltung auch mittels elektrischer Bauelemente, wie beispielsweise Dioden, optimiert werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Betätigungsvorrichtung und die Sicherheitsvorrichtung zumindest teilweise einstückig ausgeführt sind. Dadurch kann die Sicherheitsvorrichtung besonders kompakt ausgestaltet werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Betätigungsvorrichtung mit einer mechanischen Sicherheitsvorrichtung,
2 eine Schnittansicht der Sicherheitsvorrichtung mit einem ausgefahrenen Betätigungsstößel,
3 eine Betätigungsvorrichtung mit einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung,
4 eine elektrische Sicherheitsschaltung der Sicherheitsvorrichtung aus 3,
5 eine alternative Ausgestaltung einer elektrischen Sicherheitsschaltung,
6 eine weitere Ausgestaltung einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung,
7 eine weitere Betätigungsvorrichtung mit einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung,
8 eine Ausgestaltung einer Sicherheitsschaltung der elektrischen Sicherheitsvorrichtung aus 7,
9 eine alternative Ausgestaltung einer elektrischen Sicherheitsschaltung und
10 eine weitere Ausgestaltung einer elektrischen Sicherheitsschaltung.
1 zeigt eine Ventiltriebvorrichtung mit einer Betätigungsvorrichtung 10a. Die Betätigungsvorrichtung 10a weist zwei Schaltelemente 13a, 14a auf, die über Aktuatoren 11a, 12a bewegt werden. Die Schaltelemente 13a, 14a sind dazu vorgesehen, in eine Schaltkulisse mit Kulissenbahnen eines nicht näher dargestellten Nockenelements einzugreifen, um das No ckenelement axial auf einer nicht näher dargestellten Nockenwelle zu verschieben.
Der erste Aktuator 11a, der das erste Schaltelement 13a bewegt, weist eine Elektromagneteinheit 15a auf. Die Elektromagneteinheit 15a umfasst eine Spule 26a, die in einem Stator 28a der Elektromagneteinheit 15a angeordnet ist. Mittels der Spule 26a kann ein magnetisches Feld erzeugt werden, das mit einem Permanentmagnet 30a wechselwirkt, der in dem Schaltelement 13a angeordnet ist. Dadurch kann das Schaltelement 13a, das einen Betätigungsstößel 32a aufweist, ausgefahren werden (2). Ein Kern 34a verstärkt das durch die Elektromagneteinheit 15a erzeugte magnetische Feld.
Ist die Spule 26a unbestromt, wechselwirkt der Permanentmagnet 30a in einer Endstellung mit einem Grundgehäuseteil 38a des Aktuators 11a, das aus einem magnetisierbaren Material besteht, und einer zweiten Endstellung mit dem Stator 28a des Aktuators 11a. In einem solchen Betriebszustand stabilisiert der Permanentmagnet 30a das Schaltelement 13a in einer der beiden Endstellungen, wobei das Schaltelement 13a aus einer Stellung zwischen den Endstellungen der energetisch günstigeren Endstellung zustrebt.
In einem Betriebszustand, in dem die Elektromagneteinheit 15a bestromt ist, wechselwirkt der Permanentmagnet 30a mit dem Feld der Elektromagneteinheit 15a. Abhängig von einer Polisierung des Permanentmagneten 30a und der Elektromagneteinheit 15a kann dabei eine anziehende Kraft und eine abstoßende Kraft realisiert werden. Eine Polarisierung der Elektromagneteinheit 15a lässt sich mittels einer Stromrichtung, mit der die Elektromagneteinheit 15a bestromt wird, ändern.
Weiter ist in dem Aktuator 11a eine Federeinheit 36a angeordnet, die ebenfalls eine Kraft auf das Schaltelement 13a aus übt. Die Kraft der Federeinheit 36a ist in eine Richtung gerichtet, die einer Richtung der abstoßenden Kraft zwischen der Elektromagneteinheit 15a und dem Permanentmagneten 30a entspricht, wodurch ein Ausfahrvorgang des Schaltelements 13a beschleunigt werden kann.
Der zweite Aktuator 12a ist analog zum ersten Aktuator 11a aufgebaut. Er umfasst eine Elektromagneteinheit 16a, die eine in einem Stator 29a angeordnete Spule 27a mit einem magnetisierbaren Kern 35a aufweist, die mit einem in dem Schaltelement 14a angeordneten Permanentmagneten 31a wechselwirkt und einen Betätigungsstößel 33a ausfahren kann. Ein Ausfahrvorgang wird auch bei dem Aktuator 12a durch eine Federeinheit 37a beschleunigt.
Die beiden Aktuatoren 11a, 12a sind in dem gemeinsamen Grundgehäuseteil 38a angeordnet. Die Spulen 26a, 27a der Aktuatoren 11a, 12a sind um Gehäuseteile 39a, 40a gewickelt, die den Aktuatoren 11a, 12a einzeln zuordbar sind, und die einstückig mit den Kernen 34a, 35a der Elektromagneteinheiten 15a, 16a ausgeführt sind.
Um ein gleichzeitiges Ausfahren der beiden Schaltelemente 13a, 14a zu verhindern, umfasst die Ventiltriebvorrichtung eine Sicherheitsvorrichtung 17a. Die Sicherheitsvorrichtung 17a ist mechanisch ausgeführt und weist einen Blockierstift 20a auf. Der Blockierstift 20a ist zwischen den Betätigungsstößeln 32a, 33a der Schaltelemente 13a, 14a angeordnet. Er ist in einer in Bezug auf den Blockierstift 20a axialen Richtung beweglich und wird durch eine Ausnehmung 41a in dem Grundgehäuseteil 38a geführt.
Die Betätigungsstößel 32a, 33a der Schaltelemente weisen je eine Ausnehmung 21a, 22a auf, in die der Blockierstift 20a eintauchen kann. Die Ausnehmungen 21a, 22a sind als eine um laufende Nut ausgebildet und weisen zum Rand hin eine Schräge auf. Wird einer der Betätigungsstößel 32a, 33a ausgefahren, wird der Blockierstift 20a durch die Schräge der Ausnehmung 21a, 22a und eine korrespondierende Schräge am ausfahrenden Betätigungsstößel 32a, 33a vollständig in die gleich ausgestaltete Ausnehmung 22a, 21a des anderen Betätigungsstößels 33a, 32a bewegt, wodurch dieser gegen ein Ausfahren blockiert ist. Ist der Betätigungsstößel 32a, 33a wieder eingefahren, kann der andere Betätigungsstößel 33a, 32a ausgefahren werden und verschiebt dadurch seinerseits den Blockierstift 20a in die Ausnehmung des ersten Betätigungsstößels 32a, 33a, wodurch dieser blockiert wird. Der Blockierstift 20a wird über die Betätigungsstößel 32a, 33a bewegt. Somit sind Aktuatoren 18a, 19a, durch die der Blockierstift axial verschoben wird, einstückig mit den Aktuatoren 11a, 12a der Betätigungsvorrichtung, die die Schaltelemente 13a, 14a bewegen, ausgeführt.
3 zeigt eine alternative Ausführung einer Ventilbetätigungsvorrichtung, die eine Betätigungsvorrichtung 10b mit zwei Aktuatoren 11b, 12b und einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung 17b aufweist. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a in den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 durch die Buchstaben b bis g in den Bezugszeichen der Ausführungsbeispiele in den 3 bis 10 ersetzt. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel in den 1 und 2, wobei bezüglich gleich bleibender Bauteile, Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung des Ausführungsbeispiels in den 1 und 2 verwiesen werden kann.
Die Sicherheitsvorrichtung 17b, die in 3 gezeigt ist, weist eine elektrische Sicherheitsschaltung 25b auf, mittels der zwei Spulen 23b, 24b der Sicherheitsvorrichtung 17b mit einander verbunden sind. Die Spulen 23b, 24b bilden Elektromagneteinheiten 42b, 43b der Sicherheitsvorrichtung 17b, die als Aktuatoren 18b, 19b der Sicherheitsvorrichtung 17b zum Blockieren von Schaltelementen 13b, 14b der Betätigungsvorrichtung 10b dienen. Die Aktuatoren 18b, 19b sind einstückig mit den Aktuatoren 11b, 12b der Betätigungsvorrichtung 10b ausgeführt, wobei insbesondere Spulen 26b, 27b und Elektromagneteinheiten 15b, 16b der Betätigungsvorrichtung einstückig mit denen der Sicherheitsvorrichtung 17b ausgeführt sind.
Durch die elektrische Sicherheitsschaltung 25b (4) werden die elektrischen Spulen 23b, 26b, 24b, 27b, die jeweils paarweise einstückig für die Sicherheitsvorrichtung 17b und die Betätigungsvorrichtung 10b ausgeführt sind, gleich bestromt. Die Spulen 23b, 26b, 24b, 27b sind dabei in Reihe geschaltet. Durch die gleiche Bestromung ist eine Polarisation der beiden Spulen 23b, 26b, 24b, 27b gleich gerichtet. Permanentmagnete 30b, 31b, die in den Schaltelementen 13b, 14b angeordnet sind, sind entgegengesetzt gepolt. Der Permanentmagnet 30b des ersten Aktuators 18b, 11b, der einstückig für die Sicherheitsvorrichtung 17b und die Betätigungsvorrichtung 10b ausgeführt ist, weist auf einer der Elektromagneteinheit 42b, 15b zugewandten Seite einen Nordpol auf. Der Permanentmagnet 31b des zweiten Aktuators 19b, 12b weist auf einer der Elektromagneteinheit 43b, 16b zugewandten Seite einen Südpol auf. Die Anordnung kann grundsätzlich auch vertauscht werden. Werden die Spulen 23b, 26b in einer ersten Richtung bestromt, wirkt auf das Schaltelement 13b des ersten Aktuators 18b, 11b eine Kraft in Richtung der Elektromagneteinheit 42b, 15b, während auf das Schaltelement 14b des zweiten Aktuators 19b, 12b eine abstoßende Kraft wirkt. Dadurch wird das zweite Schaltelement 14b ausgefahren, während das erste Schaltelement 13b blockiert wird. Wird eine Richtung des elektrischen Stroms umgekehrt, wird das erste Schaltelement 13b ausgefahren und das zweite Schaltelement 14b blockiert.
5 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer elektrischen Sicherheitsschaltung 25c für eine Sicherheitsvorrichtung 17c mit entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten 30c, 31c. Bei dieser Schaltung sind zwei Spulen 23c, 26c, 24c, 27c, die paarweise einstückig für die Sicherheitsvorrichtung 17c und eine Betätigungsvorrichtung 10c ausgeführt sind, parallel geschaltet.
Eine weitere Ausgestaltung einer elektrischen Sicherheitsschaltung 25d für eine Sicherheitsvorrichtung 17d mit entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten 30d, 31d zeigt 6. Bei dieser Sicherheitsschaltung 25d sind Spulen 23d, 26d, 24d, 27d, die paarweise einstückig für die Sicherheitsvorrichtung 17d und eine Betätigungsvorrichtung 10d ausgeführt sind, ebenfalls parallel geschaltet. In Reihe zu den Spulen 23d, 26d, 24d, 27d sind Dioden 44d, 45d geschaltet, wodurch je nach Stromrichtung nur eine der paarweise einstückig ausgeführten Spulen 23d, 26d, 24d, 27d bestromt wird. Mit Hilfe einer Zustandsschaltung, die hier nicht näher dargestellt ist, kann bei allen Ausgestaltungsvarianten sichergestellt werden, dass Schaltelemente 13d, 14d abwechselnd ausgefahren werden.
In der 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ventiltriebvorrichtung mit einer Betätigungsvorrichtung 10e und einer elektrischen Sicherheitsvorrichtung 17e gezeigt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiels in der 3 weisen Permanentmagnete 30e, 31e in Schaltelementen 13e, 14d eine gleiche Polarisierung auf. Eine von zwei elektrischen Spulen 23e, 26e, 24e, 27e, die paarweise einstückig für die Sicher heitsvorrichtung 17d und die Betätigungsvorrichtung 10d ausgeführt sind, weist eine geänderte Wicklung auf, wodurch beide Spulen 23e, 26e, 24e, 27e ein entgegengesetzt gerichtetes Feld erzeugen (8). Durch wird bei gleicher Bestromung der Spulen 23e, 26e, 24e, 27e eines der Schaltelemente 13e, 14e ausgefahren und das andere Schaltelement 14e, 13e blockiert. Die Spulen 23e, 26e, 24e, 27e sind dabei mittels einer elektrischen Sicherheitsschaltung 25e in Reihe geschaltet.
9 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer elektrischen Sicherheitsschaltung 25f für eine Sicherheitsvorrichtung 27f mit gleich gepolten Permanentmagneten 30f, 31f. Bei dieser Sicherheitsschaltung 25f sind zwei paarweise einstückig ausgeführten Spulen 23f, 26f, 24f, 27f parallel geschaltet.
Eine weitere Ausgestaltung einer elektrischen Sicherheitsschaltung 25g für eine Sicherheitsvorrichtung 17g mit gleich gepolten Permanentmagneten 30g, 31g zeigt 10. Bei dieser Sicherheitsschaltung 25g sind die Spulen 23g, 26g, 24g, 27g, die paarweise einstückig ausgeführt sind, ebenfalls parallel geschaltet. In Reihe zu den Spulen 23g, 26g, 24g, 27g sind Dioden 44g, 45g geschaltet, wodurch je nach Stromrichtung nur eine der beiden Spulen 23g, 26g, 24g, 27g bestromt wird. Mit Hilfe einer Zustandsschaltung, die hier nicht näher dargestellt ist, kann bei allen Ausgestaltungsvarianten sichergestellt werden, dass Schaltelemente 13g, 14g abwechselnd ausgefahren werden.

Claims

Ventiltriebvorrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit einer Betätigungsvorrichtung (10a–g), die zumindest zwei über Aktuatoren (11a–g, 12a–g) angetriebene Schaltelemente (13a–g, 14a–g) aufweist, die dazu vorgesehen sind, in eine Schaltkulisse eines Nockenelements einzugreifen, gekennzeichnet durch eine Sicherheitsvorrichtung (17a–g), die dazu vorgesehen ist, ein gleichzeitiges Ausfahren beider Schaltelemente (13a–g, 14a–g) zu verhindern.
Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung zumindest einen Aktuator (18a–g, 19a–g) aufweist, der zumindest teilweise einstückig mit einem Aktuator (11a–g, 12a–g) der Betätigungsvorrichtung (10a–g) ausgeführt ist.
Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung (17a) mechanisch ausgeführt ist.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung (17a) einen Blockierstift (20a) aufweist.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Schaltelement (13a, 14a) eine Ausnehmung (21a, 22a) eingebracht ist.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung (17b–g) elektrisch und/oder magnetisch ausgeführt ist.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung (17b–g) zumindest zwei elektrische Spulen (23b–g, 24b–g) aufweist, die dazu vorgesehen sind, ein magnetisches Feld zu erzeugen.
Ventiltriebvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsvorrichtung (17b–g) eine elektrische Sicherheitsschaltung (25b–g) aufweist, die die beiden Spulen (23b–g, 24b–g) miteinander verbindet.
Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungsvorrichtung (10a–g) und die Sicherheitsvorrichtung (17a–g) zumindest teilweise einstückig ausgeführt sind.
Verfahren für eine Ventiltriebvorrichtung, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit einer Betätigungsvorrichtung (10a–g), die zumindest zwei über Aktuatoren (11a–g, 12a–g) angetriebene Schaltelemente (13a–g, 14a–g) aufweist, die dazu vorgesehen sind, in eine Schaltkulisse eines Nockenelements einzugreifen, insbesondere für eine Ventiltriebvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein gleichzeitiges Ausfahren beider Schaltelemente (13a–g, 14a–g) verhindert wird.