DE102012218803A1

DE102012218803A1 - Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012218803A1
Application number: DE201210218803
Authority: DE
Inventors: Andreas Nendel; Philipp Schlehuber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-04-17
Also published as: WO2014059980A1

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Schiebenocken-Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Ein auf einer Trägerwelle (2) zwischen zwei Axialpositionen verschiebbares Nockenstück (3) umfasst eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken (4, 5), eine nutförmige Axialkulisse (8) und eine Rastiervorrichtung (10, 11, 12), die die Axialpositionen des Nockenstücks auf der Trägerwelle stabilisiert. Erfindungsgemäß sollen sich die Steuerzeiten der Axialkulisse und des Gaswechselventils (7) stets überlappen, so dass zumindest eine der Nockenerhebungen das Gaswechselventil zu einem Nockenwellenwinkel (αV0) öffnet, der noch innerhalb der Axialhubphase des sich verschiebenden Nockenstücks liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, umfassend:

– eine Nockenwelle mit einer Trägerwelle und einem Nockenstück, das auf der Trägerwelle drehfest und zwischen zumindest zwei Axialpositionen verschiebbar angeordnet ist und das eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken mit voneinander verschiedenen Erhebungen und eine nutförmige Axialkulisse aufweist, sowie mit einer Rastiervorrichtung, die die Axialpositionen des Nockenstücks auf der Trägerwelle stabilisiert;
– einen Aktuator mit einem in die Axialkulisse einkoppelbaren Betätigungsstift zum Verschieben des Nockenstücks;
– und einen Nockenfolger, der die Erhebungen selektiv abgreift und auf ein Gaswechselventil überträgt.

Hintergrund der Erfindung
Ein derartiger Ventiltrieb ist beispielsweise aus der DE 10 2004 008 670 A1 bekannt. Zur Verschiebung des Nockenstücks greift der relativ dazu axial stillstehende Betätigungsstift in die rotierende Axialnut ein, deren Axialhub das Nockenstück zwingt, sich auf der Trägerwelle zu verschieben. Die Verschiebung des Nockenstücks zwischen zwei Axialpositionen muss innerhalb des Winkelbereichs der Nockenwelle erfolgen, in dem alle Nockenerhebungen hubfrei sind, d.h. rechtzeitig innerhalb der gemeinsamen Grundkreisphase aller Nocken. Anderenfalls würde der Nockenfolger, typischerweise die Nockenrolle eines Schlepphebels, während der darauf folgenden Erhebungsphase von zwei Nocken des noch nicht ausreichend weit verschobenen Nockenstücks simultan betätigt werden und im Worst Case den Schlepphebel von seinem Schwenklager herunter kippen.
Aufgrund der umfangreichen Bauteiltoleranzkette im Ventiltrieb ist der Eingriff des Betätigungsstifts in die Axialnut stets mit Axialspiel behaftet, so dass die Verschiebung des Nockenstücks nicht nur aus der gegenseitigen Zwangsführung von Betätigungsstift und Axialnut, sondern auch aus trägheitsbedingten Freiflugphasen des Nockenstücks relativ zum Betätigungsstift resultiert. Die Massenträgheit des sich verschiebenden Nockenstücks wird in besonderem Ausmaß bei Axialkulissen mit sich kreuzenden Kulissenbahnen genutzt, die vor ihrem Kreuzungspunkt lediglich eine beschleunigende Nutflanke und nach dem Kreuzungspunkt lediglich eine verzögernde Nutflanke haben. Die DE 101 48 177 A1 zeigt eine derartige Axialkulisse, wobei ein erfolgreicher Verschiebevorgang des Nockenstücks dessen ausreichende Massenträgheit und folglich – unter zusätzlicher Berücksichtigung der Reibung – eine ausreichend hohe Dynamik entsprechend einer Mindestdrehzahl der Nockenwelle voraussetzt.
Wie zuvor erläutert, muss der Axialhubverlauf der Axialkulisse, d.h. deren Kinematik so beschaffen sein, dass das Nockenstück in einem möglichst großen Drehzahlbereich rechtzeitig und ausreichend weit zwischen den Axialpositionen verschoben wird. Maßgeblich entscheidend für die kinematische Gestaltung der Axialkulisse sind die betrieblich auf das Nockenstück wirkenden Beschleunigungs-, Trägheits- und Reibungskräfte sowie die Summe der Bauteiltoleranzen. Umgekehrt hat die Kinematik der Axialkulisse direkten Einfluss auf die Kontaktkräfte zwischen dem Betätigungsstift und den Nutflanken, wobei diese Kontaktkräfte auch bei hohen Axialbeschleunigungen des Nockenstücks, d.h. bei hohen Nockenwellendrehzahlen oder bei einer kurzen Grundkreisphase der Nockenerhebungen erträglich bleiben müssen.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die Kinematik der Axialkulisse auch bei hohen Nockenwellendrehzahlen und/oder bei kurzen Grundkreisphasen zu moderaten Kontaktkräften zwischen dem Betätigungsstift und den Nutflanken der Axialkulisse führt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich dadurch, dass beim dynamischen Verschieben des Nockenstücks von der ersten in die zweite Axialposition stets die folgende Beziehung gilt: h_S(α_V = α_V0) < h_R
Dabei sind:

α_V: = Drehwinkel der Nockenwelle;
α_V0: = Drehwinkel der Nockenwelle, bei dem der Nockenfolger beginnt, das Gaswechselventil mit der in der zweiten Axialposition übertragenen Erhebung zu öffnen;
h_S: = momentaner Verschiebeweg des Nockenstücks bezüglich der ersten Axialposition;
h_R: = axialer Abstand der stabilisierten Axialpositionen des Nockenstücks auf der Trägerwelle.

In Worten ausgedrückt, besteht die Erfindung in den sich stets überlappenden Steuerzeiten der Axialkulisse und des Gaswechselventils und konkret darin, dass zumindest eine der Nockenerhebungen das Gaswechselventil zu einem Nockenwellenwinkel öffnet, der noch innerhalb der Axialhubphase des sich verschiebenden Nockenstücks liegt. Diese kinematische Ausgestaltung ermöglicht es gegenüber bekannten Ausführungen, den Verschiebeweg der Axialkulisse wesentlich zu verringern, wobei die Verschiebekraft, die für den verbleibenden Axialhub erforderlich ist, durch die Rastiervorrichtung selbst aufgebracht wird. Dieser verbleibende Axialhub wird im Laufe einer oder mehrerer nachfolgender Grundkreisphasen zurückgelegt, bis das Nockenstück in der zweiten Axialposition stabil eingerastet ist. Dieser stabile Zustand wird typischerweise durch Eintauchen einer seitens der Trägerwelle federbelasteten Rastkugel in eine Rastkontur im Nockenstück erreicht, wobei ein axialer Endanschlag für das Nockenstück durch die Rastkontur alleine oder in gemeinsam mit Umgebungsbauteilen, wie beispielsweise den Stirnflächen der Zylinderkopflagerstellen gebildet sein kann.
Der verringerte Verschiebeweg kann bei unverändert langer Grundkreisphase dazu genutzt werden, die Axialbeschleunigung der Axialkulisse abzusenken, oder bei unverändert hoher Axialbeschleunigung dazu, die Grundkreisphase zu verkürzen und folglich die Gaswechselventilerhebung zu verlängern. Kinematisch dazwischen liegende Ausgestaltungen sind ebenfalls möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich auf der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein erfindungsgemäßer Ventiltrieb erläutert ist. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 ein schematisches Hubdiagramm eines erfindungsgemäßen Nockenstücks;
2 einen Ausschnitt eines an sich bekannten Ventiltriebs in Seitenansicht.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung sei ausgehend von 2 erläutert, die einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine zeigt. Das grundlegende Funktionsprinzip dieses an sich bekannten Ventiltriebs lässt sich dahingehend zusammenfassen, dass eine konventionell starr ausgebildete Nockenwelle durch eine Nockenwelle 1 mit einer außenverzahnten Trägerwelle 2 und darauf mittels Innenverzahnung drehfest und längsverschiebbar angeordneten Nockenstücken 3 ersetzt ist. Jedes Nockenstück weist zwei Gruppen axial unmittelbar benachbarter Nocken 4 und 5 auf, deren unterschiedliche Hubverläufe mittels Nockenfolger, hier mittels Rollenschlepphebel 6 selektiv abgegriffen und auf Gaswechselventile 7 übertragen werden.
Die zur betriebspunktabhängigen Aktivierung des jeweiligen Nockens 4 oder 5 erforderliche Verschiebung des Nockenstücks 3 auf der Trägerwelle 2 erfolgt über nutförmige Axialkulissen 8 am Nockenstück, die sich entsprechend der Verschieberichtung in ihrer Orientierung unterscheiden und in die, je nach momentaner Axialposition des Nockenstücks, jeweils ein Betätigungsstift 9 eines elektromagnetischen Aktuators (nicht dargestellt) eingekoppelt wird. Zur Stabilisierung des Nockenstücks in den beiden Axialpositionen dient eine Rastiervorrichtung, die (hier nicht erkennbar) im Inneren der Trägerwelle verläuft und in das Innere des Nockenstücks einrastet.
Das in 1 dargestellte Diagramm verdeutlicht die axiale Relativbewegung des Nockenstücks 3 gegenüber der Trägerwelle und dem Betätigungsstift 9. Zugunsten der vereinfachten Lesbarkeit des Diagramms ist das Nockenstück axial stillstehend, und die Relativbewegung ist auf den Betätigungsstift und den Nockenfolger in Form der Nockenrolle 6 projiziert. Aufgetragen sind der momentane Verschiebeweg h_S des Nockenstücks und der Hubverlauf h_V der Gaswechselventile in Abhängigkeit des Nockenwellendrehwinkels α_V. Das Nockenstück ist durch die beiden Nocken 4 und 5 symbolisiert, wobei der mit durchgezogener Linie dargestellte Ventilhub h_V4 durch den größeren Nocken 4 und der mit gestrichelter Linie dargestellte Ventilhub h_V5 durch den kleineren Nocken 5 erzeugt wird. Die Nockenrolle ist mit durchgezogener Linie in den beiden stabilen Axialpositionen des Nockenstücks und mit gepunkteter Linie beim Nockenwellendrehwinkel α_V0 in einer Zwischenposition dargestellt. In dieser Zwischenposition endet der erhebungsfreie Grundkreis GK der beiden Nocken, und die Nockenrolle beginnt, den Ventilhub h_V4 auf das Gaswechselventil zu übertragen.
Die das Nockenstück 3 in dessen beiden Axialpositionen stabilisierende Rastiervorrichtung umfasst eine federbelastete Rastkugel 10, die in der Trägerwelle gelagert ist und in den Axialpositionen in innere Rastmulden 11 und 12 des Nockenstücks einrastet. Jeweils dargestellt ist der stabile Zustand der Rastkugel an den tiefsten Punkten der Rastmulden, die um das Maß h_R beabstandet sind. Referenz für den momentanen Verschiebeweg h_S des Nockenstücks ist diejenige stabile Axialposition, die das Nockenstück gerade verlassen hat, nachfolgend als erste Axialposition bezeichnet.
Die in der Axialkulisse 8 eingezeichneten Kreise symbolisieren die Position des darin eingekoppelten Betätigungsstifts 9 zu verschiedenen Nockenwellendrehwinkeln α_V.
Die Sequenz der dynamischen Verschiebung des Nockenstücks 3 im Einzelnen von links nach rechts:

a) Radiales Eintauchen des Betätigungsstifts 9 in die Axialkulisse 8, ohne die Nutflanken 13 und 14 zu berühren.
b) Erstkontakt des Betätigungsstifts mit der Beschleunigungsflanke 13.
c) Verschieben des Nockenstücks in Richtung der zweiten Axialposition aufgrund der Zwangsführung der Beschleunigungsflanke am Betätigungsstift.
d) Infolge der Massenträgheit des Nockenstücks kontaktiert die Verzögerungsflanke 14 den Betätigungsstift 9; diese mit gepunkteter Linie dargestellte Position des Betätigungsstifts korrespondiert mit der Zwischenposition h_S0 der Nockenrolle 6 beim Ventilöffnungswinkel α_V0. Die mit gepunkteter Linie dargestellte Nockenrolle verläuft in dieser Grenzposition gerade noch bündig zum Nachbarnocken 5, ohne mit diesem während des nun beginnenden Ventilhubs h_V4 zu kollidieren. Für den momentanen Verschiebeweg beim Nockenwellendrehwinkel α_V0 gilt nun stets: h_S0 = h_S(α_V = α_V0) < h_R. In Worten ausgedrückt: der dynamische, d.h. durch Beschleunigungs-, Trägheits- und Reibungskräfte bedingte Verschiebeweg des Nockenstücks ist bei gerade beginnendem Ventilhub h_V4 immer kleiner als der axiale Abstand h_R der stabilisierten Axialpositionen. Dementsprechend befindet sich die Rastkugel 10 in dieser Zwischenposition noch vor dem stabilen, d.h. tiefsten Punkt der Rastmulde 11.
e) Austauchen des Betätigungsstifts auf der radial ansteigenden Ausfahrrampe (nicht dargestellt) der Axialkulisse. Eine Verschiebung des infolge der Ventilbetätigungskräfte mit hohen axialen Reibkräften belasteten Nockenstücks erfolgt während der Übertragung der Ventilhübe h_V nicht oder allenfalls in einem nicht nennenswerten Umfang.

In der zweiten Axialposition befindet sich die Rastkugel 10 in ihrer stabilen Position am tiefsten Punkt der Rastmulde 11, und die Nockenrolle 6 verläuft im wesentlichen axialsymmetrisch zum Nocken 4. Die das Nockenstück 3 vollständig in die zweite Axialposition verschiebende Kraft resultiert aus der Federkraft der Rastiervorrichtung, die das Nockenstück während einer oder mehrerer belastungsfreier Grundkreisphasen GK in Richtung dieser stabilen Axialposition zieht.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwelle
2: Trägerwelle
3: Nockenstück
4: Nocken
5: Nocken
6: Nockenfolger / Nockenrolle
7: Gaswechselventil
8: Axialkulisse
9: Betätigungsstift
10: Rastkugel
11: Rastmulde
12: Rastmulde
13: Beschleunigungsflanke
14: Verzögerungsflanke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004008670 A1 [0002]
DE 10148177 A1 [0003]

Claims

Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, umfassend: – eine Nockenwelle (1) mit einer Trägerwelle (2) und einem Nockenstück (3), das auf der Trägerwelle (2) drehfest und zwischen zumindest zwei Axialpositionen verschiebbar angeordnet ist und das eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken (4, 5) mit voneinander verschiedenen Erhebungen und eine nutförmige Axialkulisse (8) aufweist, sowie mit einer Rastiervorrichtung (10, 11, 12), die die Axialpositionen des Nockenstücks (3) auf der Trägerwelle (2) stabilisiert; – einen Aktuator mit einem in die Axialkulisse (8) einkoppelbaren Betätigungsstift (9) zum Verschieben des Nockenstücks (3); – und einen Nockenfolger (6), der die Erhebungen selektiv abgreift und auf ein Gaswechselventil (7) überträgt; dadurch gekennzeichnet, dass beim dynamischen Verschieben des Nockenstücks (3) von der ersten in die zweite Axialposition stets die folgende Beziehung gilt: h_S(α_V = α_V0) < h_R α_V = Drehwinkel der Nockenwelle (1); α_V0 = Drehwinkel der Nockenwelle (1), bei dem der Nockenfolger (6) beginnt, das Gaswechselventil (7) mit der in der zweiten Axialposition übertragenen Erhebung zu öffnen; h_S = momentaner Verschiebeweg des Nockenstücks (3) bezüglich der ersten Axialposition; h_R = axialer Abstand der stabilisierten Axialpositionen des Nockenstücks (3) auf der Trägerwelle (2).