Bezeichnung der Erfindung

Schlepphebel für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Schlepphebel für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Tellerhubventil, dessen Schaftendenfläche über eine Kontaktfläche des Schlepphebels mit wenigstens zwei unterschiedlichen Ven- tilhüben beaufschlagbar ist. Dabei weist die Kontaktfläche ein in Längsrichtung des Schlepphebels konvex gekrümmtes Profil mit zumindest einem Profilpunkt auf, von dem zwei Kontaktbereiche mit voneinander verschiedenen und jeweils an einen der Ventilhübe angepassten Profilverläufen ausgehen.

Hintergrund der Erfindung

Ein derartiger Schlepphebel ist aus der als gattungsbildend betrachteten DE 10 2004 049 836 A1 bekannt. Der dort vorgeschlagene Schlepphebel weist zur Betätigung des Tellerhubventils eine Kontaktfläche auf, deren Profil sich aus zwei kreisbogenförmigen Kontaktbereichen mit unterschiedlich großen Radien zusammensetzt. Der erste Kontaktbereich mit großem Radius ist an einen konventionellen, vom Nocken einer Nockenwelle auf das Tellerhubventil übertragenen Ventilhub angepasst, während der zweite Kontaktbereich mit kleinem Radius an einen deaktivierten Ventilhub angepasst ist. Dieser deaktivierte Ven- tilhub oder Ventilnullhub wird dadurch erzeugt, dass der vom Nocken vorgegebene Hub nicht auf das Tellerhubventil übertragen, sondern von einem den Schlepphebel lagernden, schaltbaren Abstützelement aufgenommen wird.

Die in der zitierten Druckschrift offenbarte Kontaktfläche mit zwei unterschiedlichen Radienbereichen besitzt die günstige Eigenschaft, dass die kinematischen und hydrodynamischen Kontaktverhältnisse zwischen der Kontaktfläche des Schlepphebels und der Schaftendenfläche des Tellerhubventils weitgehend unabhängig von zusätzlichen Einflussgrößen, die sich aus der veränderten Ventiltriebskinematik bei deaktiviertem Ventilhub ergeben, optimal eingestellt werden können. Bei diesen Einflussgrößen handelt es sich insbesondere um den in Längsrichtung des Schlepphebels auswandernden Kontakt zwischen der Kontaktfläche des Schlepphebels und der Schaftendenfläche des Tellerhubventils oder kurz um die sogenannte Auswanderung. Unter Berücksichtigung der mitunter erheblichen Bauteiltoleranzketten innerhalb des Ventiltriebs kann allerdings die bekannte Kontaktfläche mit zwei zwar unterschiedlichen, über den jeweiligen Kontaktbereich jedoch konstanten Radien und entspre- chend konstanten Krümmungen dahingehend nachteilig sein, dass der Profilpunkt als Ausgangspunkt der unterschiedlichen Radien/Krümmungen nicht mit dem tatsächlichen Kontaktpunkt auf der Kontaktfläche während der hubfreien Grundkreisphase des Nockens übereinstimmt. Ausgehend von der Grundkreisphase würde dann der Profilwechsel zwischen den Kontaktbereichen infolge eines Krümmungssprungs zu sich abrupt verändernden Kontaktbedingungen zwischen dem Schlepphebel und dem Tellerhubventil im Laufe der Hubphase des Nockens führen. Neben unerwünschten Schwingungsanregungen des Ventiltriebs kann die vorgenannte Abweichung des Profilpunkts vom tatsächlichen Kontaktpunkt auch mit unerwünschten Kontaktpressungen einhergehen. Dieses ist beispielsweise dann der Fall, wenn sich zum Beginn und zum Ende eines großen Ventilhubs noch der Kontaktbereich mit kleinem Radius und entsprechend großer Krümmung in Eingriff mit der Schaftendenfläche des Tellerhubventils befindet.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schlepphebel der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die genannten Nachteile mit einfachen Mitteln und hinsichtlich der Herstellkosten des Schlepphebels im wesentlichen kostenneutral beseitigt sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 , während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach ist es vorgesehen, dass zumindest einer der Kontaktbereiche einen Profilverlauf mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung aufweist, wobei die Krümmungen der Kon- taktbereiche am Profilpunkt im wesentlichen gleich groß sind.

Durch eine derartig profilierte Kontaktfläche kann im Profilpunkt als Ausgangspunkt zu den Kontaktbereichen ein kinematisch ruckfreier, d.h. deutlich sanfterer Profilwechsel erzielt werden, als es im Falle der bekannten Kontaktfläche mit unterschiedlichen, bereichsweise jedoch konstanten Radien/Krümmungen möglich ist. Mit anderen Worten kann der sogenannte Ruck im Profilpunkt, welcher bei einem Krümmungssprung aufgrund des Zusammentreffens unterschiedlicher Radien unvermeidbar ist, wirksam beseitigt werden.

Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung machen sich insbesondere bei zunehmenden Bauteiltoleranzen des Ventiltriebs entsprechend einer vergleichsweise großen Abweichung des Profilpunkts vom tatsächlichen Kontaktpunkt bemerkbar, da zum einen der sanfte Profilwechsel zu keiner unzulässig hohen Schwingungsanregung im Ventiltrieb führt und zum anderen in der Nähe des Profilpunkts eine geringe Krümmung beider Kontaktbereiche zugunsten niedriger Kontaktpressungen vorgesehen werden kann.

In Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Kontaktbereich mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung einen logarithmischen Profilverlauf K(x) = Ci * In [1/(1 - C ₂ * x ^a )] aufweist. Dabei handelt es sich bei Ci und C ₂ um Konstanten, bei x um die vom Profilpunkt in Längsrichtung des Schlepphebels ausgehende Profil koordinate und bei dem Exponenten a um eine reelle Zahl. Durch diese, hinsichtlich des natürlichen Logarithmus konkrete und hinsichtlich der variablen Parameter generische Profilbeschreibung des Kontaktbereichs ist dem Fachmann auf dem Gebiet von Ventiltrieben ein in sinnvollen technischen und mathematischen Grenzen hilfreiches Optimierungswerkzeug zur Profilges- taltung der Kontaktfläche des Schlepphebels an die Hand gegeben.

Abweichend zur Euler-Zahl e als Basis des natürlichen Logarithmus ist selbstverständlich auch jede andere Basis zur mathematischen Beschreibung von Profilverläufen denkbar, durch welche sich in Verbindung mit angepassten Pa- rametern im Sinne der Erfindung mechanisch, kinematisch und tribologisch geeignete Kontaktbedingungen zur Schaftendenfläche des Tellerhubventils darstellen lassen.

Außerdem ist es vorgesehen, dass zumindest einer der Kontaktbereiche einen kreisbogenförmigen Profilverlauf mit konstanter Krümmung aufweist. Diesbezüglich kann es besonders vorteilhaft sein, wenn genau zwei Kontaktbereiche vorgesehen sind, wobei der Kontaktbereich mit konstanter Krümmung an einen aktivierten Ventilhub und der Kontaktbereich mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung an einen deaktivierten Ventilhub angepasst sind. Insbesondere in diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn der Kontaktbereich mit veränderlicher Krümmung ein insgesamt steileres Profil als der Kontaktbereich mit konstanter Krümmung aufweist. Wie bei der kinematischen Auslegung von Ventiltrieben mit lediglich einem Ventilhub allgemein üblich, kann die Kontaktfläche die Schaftendenfläche dann ebenfalls exzentrisch während der Grundkreisphase des Nockens -idealerweise am Profilpunkt- kontaktieren, so dass die bewährten kinematischen und tribologischen Kontaktverhältnisse bei aktiviertem Ventilhub beibehalten werden, während bei deaktiviertem Ventilhub die dann ent-

gegengesetzt verlaufende Auswanderung der Kontaktfläche auf der Schaftendenfläche sehr klein gehalten werden kann.

Alternativ zu dem vorgenannten Kontaktbereich mit konstanter Krümmung be- steht jedoch auch die Möglichkeit, beide Kontaktbereiche mit kontinuierlich veränderlichen und im Profilpunkt gleich großen Krümmungen zu versehen und diese jeweils an den aktivierten Ventilhub bzw. den deaktivierten Ventilhub anzupassen.

Eine weitere Möglichkeit besteht in einer vertauschten Zuordnung der Kontaktbereiche zu den unterschiedlichen Ventilhüben. Demnach kann es auch vorgesehen sein, den Kontaktbereich mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung an den aktivierten Ventilhub und den Kontaktbereich mit konstanter Krümmung bei vergleichsweise kleinem Radius an den deaktivierten Ventilhub anzupassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert ist. Es zeigen:

Figur 1 einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Schlepphebel im Längsschnitt;

Figur 2 ein für den Ventiltrieb gemäß Figur 1 vorgesehenes schaltbares

Abstützelement und

Figur 3 eine Profildarstellung der Kontaktfläche des Schlepphebels gemäß Figur 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist ein Ventiltrieb 1 einer Brennkraftmaschine mit einem Schlepphebel 2 offenbart, der in an sich bekannter Art und Weise einenends auf einem stationär in der Brennkraftmaschine angeordneten Abstützelement 3 schwenkbeweglich gelagert ist und eine drehbare Rolle 4 zum Abgriff eines Nockens 5 einer Nockenwelle aufweist. Der hier spanlos aus Blechwerkstoff umgeformte Schlepphebel 2 weist anderenends einen Quersteg 6 mit einer Kontaktfläche 7 für die Schaftendenfläche 8 eines in Schließrichtung federkraftbeaufschlagten Tellerhubventils 9 auf. Wie es bereits in Figur 1 deutlich erkennbar ist und anhand Figur 3 im Detail erläutert wird, weist die Kontaktfläche 7 ein in Längsrichtung des Schlepphebels 2 konvex gekrümmtes Profil auf, das zwei Kontaktbereiche mit voneinander verschiedenen Profilverläufen umfasst. Die Gestaltung der Kontaktfläche 7 ermöglicht es, den Schlepphebel 2 nach dem Gleichteile- prinzip nicht nur in Verbindung mit dem konventionellen, nicht schaltbaren Abstützelement 3, sondern auch in Verbindung mit einem schaltbaren Abstützelement 10, wie es im Stand der Technik in diversen Ausgestaltungen bekannt und exemplarisch in Figur 2 dargestellt ist, zu verwenden. Mit anderen Worten kann es vorgesehen sein, den Ventiltrieb 1 der Brennkraftmaschine mit glei- chen Schlepphebeln 2 auszustatten, die teilweise auf nicht schaltbaren Abstützelementen 3 und teilweise auf schaltbaren Abstützelementen 10 gelagert sind, so dass nur ein Teil der Tellerhubventile 9 mit einem variablen Ventilhub beaufschlagt ist.

Im Falle des schaltbaren Abstützelements 10 handelt es sich bei dem variablen Ventilhub um einen betriebspunktabhängig vollständig deaktivierten Ventilhub oder Ventilnullhub durch Unterbrechung der übertragung des Nockenhubs auf das Tellerhubventil 9. In diesem Betriebszustand wird der Nockenhub bei dann entgegengesetzt schwenkendem Schlepphebel 2 vom schaltbaren Abstützele- ment 10 aufgenommen. Die Funktion und der Aufbau des bekannten schaltbaren Abstützelements 10 können an dieser Stelle dahingehend zusammenge- fasst werden, dass das schaltbare Abstützelement 10 ein in einem Gehäuse 11

entgegen der Kraft einer Lost-Motion-Feder 12 längsbeweglich gelagertes Schwenklager 13 für den Schlepphebel 2 sowie einen hier hydraulisch angesteuerten Verriegelungsmechanismus 14 umfasst, durch den eine formschlüs- sig wirkende Abstützung des Schwenklagers 13 im Außengehäuse 11 herstell- bar oder lösbar ist.

Das Profil der Kontaktfläche 7 ist in Figur 3 in Diagrammform stark vergrößert dargestellt. Dabei wurde die in Figur 1 dargestellte Orientierung der Kontaktfläche 7 beibehalten, d.h. der rechtsseitig der Ordinate y dargestellte und mit K _x bezeichnete Kontaktbereich ist der Rolle 4 zugewandt und der linksseitig der Ordinate y dargestellte und einen kreisbogenförmigen Profilverlauf mit Radius Ri aufweisende Kontaktbereich K ₁ ist der Rolle 4 abgewandt. Der Nullpunkt der Abszisse x entspricht einem Profilpunkt P ₀ , von dem die beiden Kontaktbereiche K _x und K ₁ ausgehen, wobei x die Entfernungskoordinate vom Profilpunkt P ₀ in mm angibt. Gegenüber einem mit dünner Linie ebenfalls eingezeichneten Referenzbereich K ₂ mit kreisbogenförmigem Profilverlauf und Radius R ₂ gemäß dem eingangs zitierten Stand der Technik, weist der Kontaktbereich K _x einen natürlich logarithmischen Profilverlauf K(x) auf. Geometrisch entspricht dieser Profilverlauf K(x) der oben links im Diagramm angegebenen Auslegungsformel mit den darunter angegebenen Parametern C ₁ , C ₂ und a.

Gegenüber dem Referenzbereich K ₂ , dessen Krümmung definitionsgemäß 1/R ₂ beträgt, weist der erfindungsgemäße Kontaktbereich K _x in der Nähe des Profilpunkts P ₀ eine deutlich kleinere Krümmung auf, die am Profilpunkt P ₀ mit der Krümmung 1/R ₁ des Kontaktbereichs K ₁ im wesentlichen identisch ist. Dieser Sachverhalt ist in dem zusätzlichen, auf die Ordinate gelegten Detaildiagramm verdeutlicht, das gemäß dem Detail Z die Profilverläufe der Kontaktbereiche K ₁ , K _x und K ₂ am Profilpunkt P ₀ hervorhebt. Der linksseitig der Ordinate y verlaufende Kontaktbereich K ₁ mit Radius R ₁ und der Kontaktbereich K _x mit logarith- mischem Profilverlauf K(x) weisen am Profilpunkt P ₀ die im wesentlichen identische Krümmung 1/R ₁ auf, während die Krümmung 1/R ₂ des Referenzbereichs K ₂ deutlich größer ist und im Profilpunkt P ₀ zu einem Ruck infolge des Krüm-

mungssprungs führen würde. Folglich ergibt sich bei der betriebsmäßigen Wälz-Gleit-Bewegung der Kontaktfläche 7 auf der Schaftendenfläche 8 ein sanfter, d.h. kinematisch ruckfreier übergang zwischen den Kontaktbereichen K ₁ und K _x , wenn der Profilpunkt P ₀ aufgrund von Bauteiltoleranzen nicht wäh- rend der Grundkreisphase des Nockens 5, sondern erst im Verlauf von dessen Hubphase in Eingriff mit der Schaftendenfläche 8 kommt. Je nach Lage der Bauteiltoleranzen, d.h. der Abweichung des Profilpunkts P ₀ von dem tatsächlichen Kontaktpunkt während der Grundkreisphase des Nockens 5, gilt dieser Sachverhalt entweder für den aktivierten Ventilhub oder für den deaktivierten Ventilhub.

Ein weiterer Vorteil der so profilierten Kontaktfläche 7 betrifft die Flächenpressungen im Kontakt bei aktiviertem Ventilhub, da der Kontaktbereich K _x veränderlicher Krümmung am Profilpunkt P ₀ und in dessen Nähe eine deutlich gerin- gere Krümmung als der Referenzbereich K ₂ aufweist. Folglich würde in dem Fall, in welchem der Profilpunkt P ₀ toleranzbedingt erst im Laufe des aktivierten Ventilhubs in wirksamen Eingriff mit der Schaftendenfläche 8 gelangt, vorher auch der Kontaktbereich K _x den dann hohen Kontaktkräften infolge Ventilbeschleunigung und Ventilfederkraft ausgesetzt werden. Die entsprechenden Kontaktpressungen können jedoch aufgrund der vergleichsweise niedrigen Krümmung des Kontaktbereichs K _x in der Nähe des Profilpunkts P ₀ auf demselben niedrigen Niveau gehalten werden, das sich bei dem Kontaktbereich K ₁ mit kreisbogenförmigem Profilverlauf und vergleichsweise niedriger Krümmung 1/R ₁ einstellt.

Wie bereits eingangs erläutert, weist der Kontaktbereich K _x mit veränderlicher Krümmung ein insgesamt steileres Profil als der kreisbogenförmige Kontaktbereich K ₁ auf. Die bei deaktiviertem Ventilhub entsprechend kleine und zunächst in Richtung der Rolle 4 verlaufende Auswanderung der Kontaktfläche 7 auf der Schaftendenfläche 8 wird hierdurch sehr klein gehalten. Wie es bei der kinematischen Auslegung von Ventiltrieben mit lediglich einem Ventilhub allgemein üblich ist, kann folglich auch der Profilpunkt P ₀ die Schaftendenfläche 8 exzent-

risch und hier zur Rolle 4 hin versetzt während der Grundkreisphase des Nockens 5 kontaktieren, so dass die bewährten kinematischen und tribologischen Kontaktverhältnisse zwischen der Kontaktfläche 7 und der Schaftendenfläche 8 bei aktiviertem Ventilhub beibehalten werden.

Liste der Bezugszeichen

1 Ventiltrieb

2 Schlepphebel

3 Abstützelement

4 Rolle

5 Nocken

6 Quersteg

7 Kontaktfläche

8 Schaftendenfläche

9 Tellerhubventil

10 schaltbares Abstützelement

11 Gehäuse

12 Lost-Motion-Feder

13 Schwenklager

14 Verriegelungsmechanismus

K _x Kontaktbereich mit veränderlicher Krümmung K ₁ Kontaktbereich mit konstanter Krümmung

K ₂ Referenzbereich

P ₀ Profilpunkt

Ri Radius des Kontaktbereichs mit konstanter Krümmung

R ₂ Radius des Referenzbereichs