Mechanisch steuerbare Ventiltriebanordnung

Die Erfindung betrifft eine mechanisch steuerbare Ventiltriebanordnung mit mehreren in Reihe angeordneten Gaswechsel ventilen, denen mindestens zwei in Reihe angeordnete Zylinder zugeordnet sind, wobei mindestens einem Gaswechselventil eine Übertragungsanordnung zugordnet ist, wobei jede Übertragungsanordnung im Zylinderkopf mittels Lagermittel beweglich gelagert ist und wobei jede Übertragungsanordnung mit jeweils einer Ventilhubverstelleinrichtung und einer Nockenwelle in Wirkverbindung steht, wobei jede Ventilhubverstelleinrichtung eine drehbare Exzenterwelle mit Steuerumfangsflächen mit mindestens einem Exzenterorgan aufweist, die durch eine Antriebseinrichtung antreib bar ist, derart, dass verschiedene Ventilhubpositionen einstellbar sind. Eine derartige mechanisch steuerbare Ventiltriebanordnung ist aus der DE 10 2004 003 327 AI bekannt. Dabei offenbart diese Patentanmeldung eine Anordnung, die eine Exzenterwelle aufweist, die Steuerumfangsflächen mit Exzenterorganen besitzt, um Hubverstellungen von Gaswechselventilen zwischen Nullhub und Maximalhub zu gewährleisten. Diese Ausführungsform bietet bei einer hohen Variabilität einen großen Fertigungs- und Montagevorteil. Ein Nachteil dieser bekannten Ausführungsform ist jedoch, dass dadurch, dass sich die Übertragungsanordnung, insbesondere ein Zwischenhebel der Übertragungsanordnung bei ihrer Bewegung an der Exzenterwelle abstützen und auf diese Weise eine Kraft bewirken, die außermittig an der Exzenterwelle angreift. Hierdurch entsteht ein über den Umfang der Exzenterweile nicht konstantes mittleres Drehmoment, das von der Antriebeinrichtung abgefangen werden muss. Abhängig vom Drehwinkel der Exzenterwelle mit einem Exzenterorgan gibt es zwei Positionen, an denen dieses Moment Null ist: Die Position mit der größten und die Position mit der geringsten Hubverstellung, wobei lediglich die Position mit der geringsten Hubverstellung ein stabiles Gleichgewicht gewährleistet. Dies hat jedoch zur Folge, dass bei einem Defekt der Antriebseinrichtung, die Exzenterwelle in die Position des stabilen Gleichgewichts überführt wird, was bei einer Ausführung, in der die geringste Hubverstellung einen Nullhub beschreibt, einen Ausfall der gesamten Brennkraftmaschine zur Folge hat.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Ventiltriebanordnung zu schaffen, die den oben genannten Nachteil vermeidet und die Möglichkeit bietet, bei einem Defekt der Antriebseinrichtung der Exzenterwelle eine Fail-Safe- Funktion vorzusehen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Exzenterwelle mindestens ein Nockenelement aufweist, das in Längsrichtung der Exzenterwelle gesehen außerhalb der Steuerumfangsflächen angeordnet ist und das in Wirkverbindung mit einem federbelasteten Stößelorgan steht, wobei das mindestens eine Nockenelement in Umfangsrichtung gesehen in Höhe der Nullhubeinstellungen der Steuerumfangsflächen angeordnet ist. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Exzenterwelle im Falle eines Defektes der Antriebseinrichtung eine Position einnimmt, die eine bestimmte Hubverstellung der Einlassventile bewirkt.

Hierbei ist es denkbar, dass das Stößelorgan über eine Rolle auf die Umfangsfläche der Exzenterwelle einwirkt. Eine besonders vorteilhafte und reibungsfreie Ausführungsform ist jedoch dadurch gegeben, dass das Stößelorgan über ein Wälzlager auf die Umfangsfläche der Exzenterwelle einwirkt. Hierbei soll noch einmal deutlich angemerkt werden, dass dies lediglich eine besonders vorteilhafte Ausführungsform darstellt. Es ist natürlich auch möglich, dass das Stößelorgan über eine glatte Kontur auf die Umfangsfläche der Exzenterwelle einwirkt. Auch ist es besonders vorteilhaft wenn das Stößelorgan einen Käfig aufweist, in dem ein Federorgan, vorzugsweise eine Schraubenfeder, gelagert ist. Hierbei kann das Nockenelement auf einem Nockenansatzstück ausgebildet sein, das form- und/oder kraftschlüssig an einem der beiden Enden der Exzenterwelle angeordnet ist.

In einer Ausführungsform, bei der alle möglichen Konturen der Exzenterorgane innerhalb eines Kreises liegen, der durch die Außendurchmesser einer Exzenterwellenlagerung gebildet ist, wobei die Exzenterwelle entsprechende Lagerflächen aufweist, kann die Exzenterweile als sogenannte durchsteckbare Exzenterwelie ausgebildet sein, was wesentliche Fertigungs- und Montagevorteile bietet. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn die Antriebseinrichtung die Exzenterwelle über ein Zahnradorgan antreibt, wobei das Zahnradorgan eine Durchstecköffnung für die Exzenterwelle aufweist und form- und/oder kraftschlüssig mit der Lagerfläche verbunden ist. In einer besonders einfachen Ausführungsform kann dabei das Zahnradorgan ein Ansatzstück aufweisen, auf dem das Nockenelement ausgebildet ist. Hierbei können im Zylinderkopf Anschlagflächen vorgesehen sein, an denen das Getriebeorgan beidseits in axialer Richtung anliegt.

Darüber hinaus hat es sich besonders vorteilhaft erwiesen, wenn jede Übertragungsanordnung mindestens einen Schwenkhebel und mindestens einen Kipphebel aufweist, wobei der Schwenkhebel mit einer Arbeitskurve auf das Gaswechselventil angreift und der Kipphebel in Wirkverbindung mit der Ventilhubverstelleinrichtung und der Nockenwelle steht und über eine Arbeitskontur auf den Schwenkhebel angreift.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, hierin zeigen : Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer erfinderischen Ventiltriebanordnung,

Figur 2 eine Querschnittansicht der im Zylinderkopf gelagerten Exzenterwelle aus Figur 1 in Höhe des Nockenelementes, und

Figur 3 eine schematische Darstellung der unterschiedlichen Lagepotentiale der Exzenterwelle aufgrund der wirkenden Momente.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventiltriebanordnung 10 mit mehreren in Reihe angeordneten Gaswechselventilen 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24 und 26. Im vorliegenden Fall sind jeweils zwei Einlass-Gaswechselventile einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnet. Die mechanisch steuerbare Ventiltriebanordnung 10 weist im vorliegenden Fall vier Übertragungsanordnungen 28, 29; 30, 31; 32, 33 und 34, 35 auf, denen jeweils zwei Gaswechselventile 12, 14; 16, 18; 20, 22; 24, 26 zugeordnet sind. Dabei sind die Übertragungsanordnungen 28, 29; 30, 31; 32, 33; und 34, 35 auf bekannte Weise im Zylinderkopf mittels Lagermitteln gelagert. Die Lagermittel 36, 38 werden in der vorliegenden Figur 1 lediglich exemplarisch für die Lagerung eines Schwenkhebels 56 der Übertragungsanordnung 35 dargestellt. Darüber hinaus stehen die Übertragungsanordnungen 28, 29; 30, 31; 32, 33 und 34, 35 auf bekannte Weise mit einer Nockenwelle 40 in Wirkverbindung. Außerdem ist jede Übertragungsanordnung 28, 29; 30, 31; 32, 33 und 34, 35 durch Steuerumfangsflächen 42, 43; 44, 45 (hier nicht erkennbar); 46, 47 und 48, 49 mit entsprechenden Verstellorganen einer Ventilhubverstelleinrichtung 41 derart ansteuerbar, dass ein geringerer oder höherer Ventilhub der Einlassventile 12, 14; 16, 18; 20, 22; 24, 26 einstellbar ist, wobei dies durch Exzenterorgane, die auf einer Exzenterwelle 50 vorgesehen sind, bewerkstelligt wird. Die Exzenterwelle 50 wird im vorliegenden Fall über ein als Zahnrad 53 ausgebildetes Getriebeorgan 53 durch eine Antriebseinrichtung 52 angetrieben. Sie ist in diesem Ausführungsbeispiel als durchsteckbare Exzenterwelle ausgebildet, bei der alle möglichen Konturen der Exzenterorgane innerhalb eines Kreises liegen, der durch die Außendurchmesser einer Exzenterwellenlagerung gebildet ist. Als Antriebseinrichtung 52 kann ein sowohl vorwärts wie rückwärts laufender Drehantrieb genutzt werden. Die Exzenterwelle 50 kann damit derart angetrieben werden, dass in Anhängigkeit von der vorliegenden Position schnell und präzise der dem nächsten Betriebszustand entsprechende Ventilhub durch den Einsatz der entsprechenden, nicht weiter dargestellten Exzenterorgane gewählt werden kann. Auch Drehwinkel von > 360° sind damit realisierbar.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist ein mechanisch ansteuerbarer Ventiltrieb 54 die Übertragungsanordnung 35 sowie das Gaswechselventil 26 auf. Die Übertragungsanordnung 35 besteht dabei aus dem Schwenkhebel 56 sowie einem Kipphebel 58, wobei der Schwenkhebel 56 mit einer Arbeitskurve auf das Gaswechselventil 26 angreift und der Kipphebel 58 in Wirkverbindung mit der Ventilhubverstelleinrichtung 41 und der Nockenwelle 40 steht. Dabei greift die Steuerumgangsfläche 48 mit einem Verstellorgan der Ventilhubverstelleinrichtung 41 entgegen einer Vorspannkraft einer Feder 55 auf ein nicht weiter dargestelltes Angriffsorgan (beispielsweise eine Rolle) des Kipphebels 58 an. Der Kipphebel 58 greift mit einer nicht weiter dargestellten Arbeitskontur auf den Schwenkhebel 56 an. Auf der gegenüber gelegenen Seite sind Führungsrollen angeordnet, mit denen der Kipphebel 58 in einer Kulisse geführt ist. Die Führungsrollen sind wiederum auf einer Welle gelagert, die zwei benachbarte Kipphebel miteinander verbindet, wobei zwischen den Führungsrollen noch eine Rolle auf der Welle angeordnet ist, die wiederum mit der Nockenwelle in Wirkverbindung steht. Ein Nocken der Nockenwelle steht also mit zwei Übertragungsanordnungen in Wirkverbindung. Hinsichtlich der Funktion und Arbeitsweise einer derartigen Übertragungsanordnung wird explizit auf die deutsche Offenlegungsschrift DE 101 40 635 AI verwiesen. Es sollte deutlich sein, dass im vorliegenden Ausführungsbeispiel die jeweiligen Kipphebel eine außermittig angreifende Kraft auf die Exzenterwelle 50 ausüben können, die ein Drehmoment erzeugt, das bei Ausfall der Antriebseinrichtung 52 die Exzenterwelle 50 in eine stabile Position verdreht, die einen Nullhub der Gaswechselventile verursacht und damit den Ausfall der Brennkraftmaschine bewirkt. Um dies zu verhindern und eine Fail-Safe-Position zu gewährleisten, die eine bestimmte Hubverstellung garantiert, weist erfindungsgemäß die Exzenterwelle 50 mindestens ein Nockeneiement 62 (siehe Figur 2) auf, das in Längsrichtung der Exzenterwelle 50 gesehen außerhalb der Steuerumfangsflächen (42, 43; 44, 45; 46, 47; 48, 49) angeordnet ist und das in Wirkverbindung mit einem federbelasteten Stößelorgan 64 steht, wobei das Nockenelement 62 in Umfangsrichtung gesehen in Höhe der Nullhubeinstellungen der Steuerumfangsflächen (42, 43; 44, 45; 46, 47; 48, 49) angeordnet ist. Das Stößelorgan 64 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Schraubenfeder 66 federbelastet, die in einem Käfig 68 gelagert ist. Durch diese besondere Anordnung wird den Drehmomenten der Kipphebel ein Drehmoment entgegengesetzt, was zu einer stabilen Gleichgewichtslage der Exzenterwelle 50 führt, bei der ein Ventilhub von ungleich Null vorliegt (siehe hierzu Figur 3). Es sollte jedoch deutlich sein, dass das Nockenelement 62 auch über ein einzelnes Nockenansatzstück auf der Exzenterwelle 50 angeordnet sein kann. Auch kann es durchaus vorteilhaft sein, wenn auch die Kontur des Nockenelementes 62 innerhalb des Kreises liegt, der durch die Außendurchmesser der Exzenterwellenlagerung gebildet ist. Hierdurch ist es möglich, den Montageschritt der Anbringung des Nockenelementes 62 einzusparen.

Figur 2 zeigt eine Querschnittansicht der im Zylinderkopf gelagerten Exzenterwelle aus Figur 1 in Höhe des Nockenelementes 62. Das Nockenelement 62 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einem Ansatzstück 63 des Zahnradorgans 53 ausgebildet. Das Zahnradorgan 53 ist über eine nicht weiter dargestellte Schraubverbindung lösbar mit der Exzenterwelle 50 verbunden. Das Stößelorgan 64 weist im Wesentlichen eine Schraubenfeder 66 auf, die sich auf bekannte Weise an einem Ansatzstück im Zylinderkopf abstützt und in dem Käfig 68 derart gelagert ist, dass sie über einen mit dem Käfig 68 verbundenen Stift 70 und einem darauf gelagerten Wälzlager 72 in Wirkverbindung mit der Umfangsfläche der Exzenterwelle 50 steht. Es ist natürlich auch möglich, dass das Stößelorgan 64 über eine glatte Kontur oder beispielsweise eine Rolle auf die Umfangsfläche der Exzenterwelle 50 einwirkt. Bei Ausfall der Antriebseinrichtung 52 wird in Folge des Zusammenwirkens von Nockenelement 62 und Stößelorgan 64 eine stabile Gleichgewichtslage der Exzenterweile 50 eingestellt, bei der in jedem Fall ein Hub der Einlassventile ungleich Null bei Betätigung durch die Nockenwelle 40 vorgesehen ist. Im vorliegenden Fall ist das Nockenelement 62 auf dem Ansatzstück 63 ausgebildet. Es sollte deutlich sein, dass das Nockenelement 62 auch auf einem einzelnen Nockenansatzstück ausgebildet sein kann. Auf diese Art und Weise könnte auch eine Position an einem der Enden der Exzenterwelle 50 gewählt werden. Auch ist es natürlich möglich, dass das Nockenelement 62 einstückig mit der Exzenterwelle 50 ausgebildet ist und dass die Kontur des Nockenelementes 62 innerhalb des Kreises liegt, der durch die Außendurchmesser einer Exzenterwellenlagerung gebildet ist.

Figur 3 zeigt exemplarisch eine schematische Darstellung der unterschiedlichen Lagepotentiale der Exzenterwelle aufgrund der wirkenden Momente bei unterschiedlichen Exzenterwellenstellungen. Das Lagepotential ist hierbei wie folgt definiert: U(<j>) = J M d† (J). Die Kurve 74 zeigt das Lagepotential der Exzenterwelle 50 aufgrund des durch die Kipphebel aufgebrachten Drehmomentes. Die stabile Gleichgewichtslage (ist gekennzeichnet durch das niedrigste Lagepotential, hier bei der Kurve 74 ist es gleich 0) wird bei einem Ventilhub von 0 eingenommen, was zu den angesprochenen Problemen führt. Die Kurve 78 zeigt das Lagepotential aufgrund des Drehmomentes des Stößelorgans 64 im Zusammenwirken mit dem Nockenelement 62. Die Kurve 76 zeigt nun das resultierende Lagepotential der Exzenterwelle 50, bei der zwei stabile Gleichgewichtslagen (hier Lagepotential = -4) einen Ventilhub von ca. maximal 3mm ermöglichen. Je nachdem, in welcher Stellung der Exzenterwelle im Betrieb die Fail-Safe-Position eingenommen werden muss, wird sich eine der beiden Fail-Safe-Positionen einstellen.