Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einer Nockenwelle, die eine Trägerwelle sowie ein darauf drehfest und zwischen zwei Axialpositionen verschiebbar angeordnetes Nockenstück umfasst, das zumindest eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken mit unterschiedlichen Nockenerhebungen und eine Axialkulisse mit zwei sich an deren Umfang axial gegenläufig erstreckenden Kurvenbahnen aufweist, und mit einem mit der Axialkulisse koppelbaren Betätigungselement zum Verschieben des Nockenstücks in Richtung beider Kurvenbahnen.

Hintergrund der Erfindung

Ein derartiger Ventiltrieb, der zur variablen Betätigung von Gaswechselventilen mittels verschiebbarer Nocken dient und bei dem ein einziges Betätigungselement je Nockenstück ausreichend ist, um das Nockenstück in Richtung beider Kurvenbahnen der Axialkulisse zu verschieben, ist aus der als gattungsbildend betrachte- ten DE 101 48 177 A1 vorbekannt. Dort sind zwei Nockenstücke mit alternativ ausgestalteten Axialkulissen offenbart, wobei die erste Axialkulisse einen mittigen Führungssteg zur Bildung innerer Führungswände für das Betätigungselement in Form eines in die Axialkulisse eintauchenden Zylinderstifts aufweist und die zweite Axialkulisse lediglich aus äußeren Führungswänden besteht.

Letztere Ausgestaltung hat den Vorteil, dass der Fertigungsaufwand für die Axialkulisse durch den Entfall des Führungsstegs deutlich kleiner ist. Ein im Hinblick auf die Funktionssicherheit des Ventiltriebs beträchtliches Risiko besteht bei dieser Ausgestaltung jedoch darin, dass der Verschiebevorgang des Nockenstücks nur dann vollständig, d.h. fehlschaltungsfrei abgeschlossen wird, wenn die Massenträgheit des Nockenstücks ausreichend ist, um es nach Durchfahren des Kreuzungsbereichs der Kurvenbahnen auch ohne Zwangseinwirkung des Zylinderstifts gewissermaßen im Freiflug in seine andere Endposition zu bewegen. Voraussetzung für die ausreichende Massenträgheit des Nockenstücks ist selbstverständlich eine Mindestdrehzahl der Nockenwelle, welche direkt von der Reibung zwischen dem Nockenstück und der Trägerwelle abhängig ist. Ein Verschieben des unterhalb dieser Mindestdrehzahl rotierenden Nockenstücks kann dazu führen, dass das Nockenstück „auf halbem Wege" stehen bleibt und ein das Gaswechselventil beaufschlagender Nockenfolger von mehreren Nocken der Nockengruppe unkontrolliert und unter hohen mechanischen Belastungen gleichzeitig beaufschlagt wird. Zudem besteht in diesem Fall keine Möglichkeit mehr, das Nockenstück mittels des Zylinderstifts nachträglich in eine der Endpositionen zu verlagern, da dann die axiale Zuordnung zwischen dem Zylinderstift und den äußeren Führungswänden nicht mehr gegeben ist.

Dieses Funktionsrisiko ist zwar bei der ersteren Ausgestaltung der Axialkulisse mit mittigem Führungssteg, dessen innere Führungswände bei niedrigen Drehzahlen des Nockenstücks als den Zylinderstift weiter beschleunigende Zwangsführung wirken, deutlich geringer. Dennoch besteht auch hierbei die Gefahr, dass der Zylinderstift nach Durchfahren des Kreuzungsbereichs nicht in die vorgegebene Kurvenbahn einspurt, sondern mit der Stirnseite des Führungsstegs ebenfalls unter hoher mechanischer Belastung kollidiert. Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die genannten Funktionseinschränkungen und -risiken zumindest teilweise beseitigt sind. Konkret ausgedrückt besteht die Aufgabe also darin, bei Verwendung eines einzigen Betätigungselements für beide Verschieberichtungen auch bei niedrigen Drehzahlen der Nockenwelle, beispielsweise während des Startvorgangs der Brennkraftmaschine, einen erfolgreichen, d.h. vollständigen Umschaltvorgang des Nockenstücks zu gewährleisten.

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 sollen die Kurvenbahnen in Umfangsrichtung der Axialkulisse hintereinander angeordnet sein. Ein wesentlicher Unterschied der Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik betrifft also die gegenseitige Anordnung der Kurvenbahnen auf der Axialkulisse, welche nun hintereinander, d.h. in Reihenschaltung, und nicht mehr nebeneinander, d.h. in Parallelschaltung, verlaufen und sich folglich auch nicht mehr kreuzen. Durch den Entfall des Kreuzungsbereichs erfolgt die Verschiebung des Nockenstücks unter permanenter Zwangsführung der Axialkulisse gegenüber dem damit gekoppeltem Betätigungselement, so dass ein vollständiger Umschaltvorgang des Nockenstücks auch bei niedrigsten Drehzahlen der Nockenwelle gewährleistet ist.

Während bei der konstruktiven Ausgestaltung hinsichtlich der Kopplung des Betätigungselements mit der Axialkulisse diverse Möglichkeiten bestehen, sollen zweckmäßigerweise die Kurvenbahnen jeweils als Nut und das Betätigungselement als in die Nuten eingreifender Zylinderstift ausgebildet sein. Vorzugsweise sind dabei die Kurvenbahnen jeweils aus aufeinander folgenden Bahnabschnitten mit unterschiedlichen Axialhüben der die Nut begrenzenden Nutwände zusammengesetzt, nämlich einem Einfahrabschnitt ohne Axialhub, einem Rampenabschnitt und einem Hubabschnitt, wobei der Hubabschnitt eine deutlich größere Axialbeschleunigung als der Rampenabschnitt aufweist.

Außerdem sollen die Nocken einen gemeinsamen Grundkreisbereich haben, der spätestens mit dem Rampenabschnitt der ersten Kurvenbahn beginnt und frühestens mit dem Hubabschnitt der zweiten Kurvenbahn endet. Da unter dem gemeinsamen Grundkreisbereich der Winkelbereich des Nockenstücks zu verstehen ist, in welchem sämtliche Nocken der Nockengruppe erhebungsfrei sind, erfolgt die Verschiebung des Nockenstücks lediglich dann, wenn das der Nockengruppe zugeordnete Gaswechselventil geschlossen ist und sich der in Eingriff zu bringende Nocken während des gesamten Verschiebevorgangs ebenfalls in dessen Grundkreisstellung befindet. Somit wirken während des Verschiebevorgangs keine die Reibung zwischen Nockenstück und Trägerwelle erhöhenden Ventilfederkräfte auf das Nockenstück. Um die Axialbeschleunigung des Nockenstücks so gering wie möglich zu halten, sind der Beginn und das Ende vom Grundkreisbereich und vom Verschiebevorgang idealerweise identisch.

Ferner können die Hubabschnitte jeweils aus aufeinander folgenden Teilhubabschnitten mit unterschiedlichen Radialhüben des die Nut begrenzenden Nutgrunds zusammengesetzt sein, nämlich einem ersten Teilhubabschnitt ohne Radialhub und einem zweiten Teilhubabschnitt mit sich radial auswärts erhebendem Nutgrund. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Nutgeometrien, bei denen der Betätigungsstift erst im axialkraftfreien Zustand aus der radial ansteigenden Nut in seine eingriffslose Ruheposition „ausgeworfen" wird, ist es vorliegend zweckmäßig, den Axialhub und den Radialhub der Nut zu überlagern, um den jeweils zur Verfügung stehenden Nockenwinkel der Hubabschnitte zu maxi- mieren und folglich die vergleichsweise hohen Axialbeschleunigungen in den Hubabschnitten auf ein mechanisch beherrschbares Niveau zu beschränken.

Vor demselben Hintergrund ist es schließlich vorgesehen, dass jeweils der zweite Teilhubabschnitt und der Einfahrabschnitt unmittelbar aneinander grenzen, wobei der Nutgrund am Übergang vom zweiten Teilhubabschnitt zum Einfahrabschnitt radial steil abfallend verläuft. Insbesondere bei einem bezüglich des Umfangs der Axialkulisse senkrecht abfallenden Nutgrund, d.h. bei einem Summenwinkel der Kurvenbahnen von 360°, können somit die Nockenwinkel der Hubabschnitte bei gegebener Länge des dazwischen liegenden Einfahrabschnitts maximiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich auf der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:

Figur 1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs im Längsschnitt;

Figur 2 die Axialkulisse in einer ersten perspektivischen Ansicht X gemäß Figur 5;

Figur 3 die Axialkulisse in einer zweiten perspektivischen Ansicht Y gemäß Figur 5;

Figur 4 die Axialkulisse in einer dritten perspektivischen Ansicht Z gemäß Figur 5;

Figur 5 eine Seitenansicht der Axialkulisse gemäß Figur 1 mit radialem Steuerdiagramm und

Figur 6 ein vollständiges Hubdiagramm der Axialkulisse.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

In Figur 1 ist ein für das Verständnis der Erfindung wesentlicher Ausschnitt eines variablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine offenbart. Der Ventiltrieb weist eine Nockenwelle 1 auf, die eine Trägerwelle 2 sowie - der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine entsprechend - darauf drehfest und zwischen zwei Axialpositionen verschiebbar angeordnete Nockenstücke 3 umfasst. Zwecks Axialverschiebung sind die Trägerwelle 2 mit einer Außenlängsverzahnung und das Nockenstück 3 mit einer entsprechenden Innenlängsverzahnung versehen. Die Verzahnungen sind an sich bekannt und hier nicht näher dargestellt.

Das Nockenstück 3 weist beidseits einer Lagerstelle 4 angeordnete Nockengruppen mit jeweils zwei unmittelbar benachbarten Nocken 5 und 6 auf, die bei gleichem Grundkreisradius unterschiedliche Nockenerhebungen haben. Das Verschieben des Nockenstücks erfolgt außerhalb der Nockenerhebungen während des gemeinsamen Grundkreisbereichs der Nocken 5, 6. Die Nockenerhebungen werden jeweils in bekannter Weise von einem hier lediglich durch eine Nockenrolle 7 symbolisierten Nockenfolger, wie z.B. einem Schlepphebel, in Abhängigkeit der momentanen Axialposition des Nockenstücks 3 auf ein nicht dargestelltes Gaswechselventil selektiv übertragen. Unter den unterschiedlichen Nockenerhebungen sind unterschiedliche Beträge des jeweiligen Nockenhubs und/oder unterschiedliche Ventilsteuerzeiten der Nocken 5, 6 zu verstehen.

Zur Umschaltung zwischen den Nocken 5 und 6 ist das Nockenstück 3 mit einer als Einzelteil hergestellten und mittels Pressverband gefügten Axialkulisse 8 versehen. Am Umfang der Axialkulisse 8 sind zwei sich axial gegenläufig erstreckende und in Umfangsrichtung der Axialkulisse 8 hintereinander angeordnete Kurvenbahnen 9, 10 in Form von Nuten ausgebildet, in die ein Betätigungselement 11 einkoppelbar ist. Dies geht näher aus den Figuren 2 bis 4 hervor, in denen die Axialkulisse 8 aus verschiedenen Winkelperspektiven dargestellt ist. Bei dem Betätigungselement 11 handelt es sich um einen Zylinderstift, der Teil eines ebenfalls bekannten und hier nicht näher erläuterten Aktuators für derartige Ventiltriebe ist. Der Zylinderstift 11 ist bezüglich der Nockenwelle 1 axial ortsfest, jedoch radial verlagerbar in der Brennkraftmaschine angeordnet und dient zum Verschieben des Nockenstücks 3 in Richtung beider Kurvenbahnen 9, 10. Die Gestaltung der Kurvenbahnen 9, 10 ergibt sich aus einer Zusammenschau der Figuren 2 bis 6. Die in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Ansichten auf die Axialkulisse 8 korrespondieren mit den Ansichtspfeilen x, y bzw. z in Figur 5, in der die in Seitenansicht dargestellte Axialkulisse 8 zusätzlich mit einem radialen Steuerdiagramm der Kurvenbahnen 9, 10 gemäß der gestrichelten Linie versehen ist. Die in den Figuren 1 , 2 und 5 dargestellten Pfeile kennzeichnen die Drehrichtung der Nockenwelle 1. Ein vollständiges Hubdiagramm mit radialem und axialem Hub der Kurvenbahnen 9, 10 als Funktion des Nockenwellenwinkels geht aus Figur 6 hervor.

Die beiden Kurvenbahnen 9, 10 setzen sich jeweils aus aufeinander folgenden Bahnabschnitten mit unterschiedlichen Axialhüben (durchgezogene Linie in Figur 6) der die Nut begrenzenden Nutwände 12 zusammen. Bei diesen Bahnabschnitten handelt es sich um einen Einfahrabschnitt F bzw. C ohne Axialhub, einem Rampenabschnitt A bzw. D zur Kompensation von axialen Positionstoleranzen des Zylinderstifts 11 relativ zu den Nutwänden 12 und einem Hubabschnitt B bzw. E, wobei die Axialbeschleunigung der Hubabschnitte B, E deutlich größer ist als diejenige der Rampenabschnitte A, D. Bei dem dargestellten Ausfϋhrungsbeispiel ist der gemeinsame Grundkreisbereich der Nocken 5, 6 identisch mit den Bahnabschnitten A bis E, d.h. der gemeinsame Grundkreisbereich beginnt mit dem Rampenabschnitt A der ersten Kurvenbahn 9 und endet mit dem Hubabschnitt E der zweiten Kurvenbahn 10. Demgegenüber liegen die Nockenerhebungen der Nocken 5, 6 im Bereich des Einfahrabschnitts F.

Die Hubabschnitte B und E setzen sich jeweils aus aufeinander folgenden Teilhubabschnitten B1 und B2 bzw. E1 und E2 zusammen, die sich im Radialhub des Nutgrunds 13 (gestrichelte Linie in Figur 5 und 6) unterscheiden. Dabei weisen die ersten Teilhubabschnitte B1 und E1 einen Nutgrund 13 mit konstanter und zu den Abschnitten F und A bzw. C und D identischer Tiefe auf, während sich der Nutgrund 13 über die zweiten Teilhubabschnitte B2 und E2 radial auswärts erhebt, um den Zylinderstift 11 bereits während des Verschiebevorgangs des Nockenstücks 3 aus der jeweiligen Nut in dessen eingriffslose Ruheposition auszuwerfen. Die Umschaltung des Nockenstücks 3 entlang der ersten Kurvenbahn 9, d.h. von den momentan wirksamen Nocken 5 auf die Nocken 6 (siehe Figur 1 ) erfolgt dadurch, dass der Zylinderstift 11 in den Einfahrabschnitt F eintaucht - je nach Größe und Dauer der Nockenerhebung erfolgt dies bereits während des geöffneten Gaswechselventils - und anschließend den Rampenabschnitt A sowie den Hubabschnitt B durchläuft, während das rotierende und sich am Zylinderstift 11 abstützende Nockenstück 3 in seine zweite Axialposition verschoben wird. Bereits im Verlauf des zweiten Teilhubabschnitts B2 wird der Zylinderstift 11 durch den radial ansteigenden Nutgrund 13 angehoben und gegen Ende des Verschiebevorgangs vollständig aus der Kurvenbahn 9 in seine eingriffslose Ruheposition ausgeworfen.

Analog dazu erfolgt das Zurückschieben des Nockenstücks 3 entlang der zweiten Kurvenbahn 10, d.h. von den dann wirksamen Nocken 6 auf die Nocken 5 dadurch, dass der Zylinderstift 11 in den Einfahrabschnitt C eintaucht und anschließend den Rampenabschnitt D sowie den Hubabschnitt E durchläuft, während das rotierende und sich am Zylinderstift 11 abstützende Nockenstück 3 in seine erste Axialposition zurück verschoben wird. Auch hierbei wird der Zylinderstift 11 im Verlauf des zweiten Teilhubabschnitts E2 durch den radial ansteigenden Nutgrund 13 angehoben und gegen Ende des Verschiebevorgangs vollständig aus der Kurvenbahn 10 in seine eingriffslose Ruheposition ausgeworfen.

Wie aus den Figuren 2 bis 5 deutlich wird, grenzen jeweils der zweite Teilhubabschnitt B2 bzw. E2 und der Einfahrabschnitt C bzw. F unmittelbar aneinander, wobei der Nutgrund 13 am Übergang dieser Abschnitte radial senkrecht abfällt, um vor allem die Länge des Hubabschnitts B bei vorgegebener Länge des Einfahrabschnitts C zu maximieren.

Die in Figur 1 dargestellte Rastiervorrichtung dient der Fixierung des Nockenstücks 3 in dessen Axialpositionen gegenüber der Trägerwelle 2. Die Rastiervorrichtung umfasst zwei in einer als Durchgangsbohrung ausgebildeten Radialbohrung 14 der Trägerwelle 2 diametral gegenüberliegende, verschieblich gelagerte Rastkörper 15 und am Innenumfang des Nockenstücks 3 verlaufende, als Um- fangsnuten ausgebildete Rastnuten 16 und 17, in denen die von einem Federmittel 18 in radial auswärtige Richtung kraftbeaufschlagten Rastkörper 15 in den jeweils zugehörigen Axialpositionen eingerastet sind.

Bei den Rastkörpern 15 handelt es sich um einseitig offene, dünnwandige Blechumformteile. Deren offenen Seite ist jeweils als in der Radialbohrung 14 gelagerter und das als Schraubendruckfeder ausgebildete Federmittel 18 umschließender Hohlzylinder ausgebildet, während es sich bei der daran anschließenden geschlossenen Seite jeweils um einen sich in Richtung der Rastnuten 16, 17 verjüngenden Hohlkörper handelt, der zunächst kegelförmig und stirnseitig kugelförmig gestaltet ist. Um während des Verschiebevorgangs des Nockenstücks 3 ein widerstandsarmes Einfahren der Rastkörper 15 in die Radialbohrung 14 zu gewährleisten, sind die Rastkörper 15 im kegelförmigen Bereich des Hohlkörpers mit einer Druckentlastungsöffnung 19 versehen.

Die Funktion der Rastiervorrichtung beschränkt sich nicht nur auf die Fixierung des Nockenstücks 3 in den beiden Axialpositionen, sondern umfasst auch ein Abbremsen des Nockenstücks 3 in dessen Axialbewegung gegen Ende der Teilhubabschnitte B2 und E2. Dieses Abbremsen wird durch Kontaktreibung der federbelasteten Rastkörper 15 an den beidseits des Scheitelpunkts 20 axial benachbart verlaufenden Nutwänden der Rastnuten 16, 17 erzeugt. Anders als in Figur 1 dargestellt, ist es vorteilhaft, wenn die Rastnuten 16, 17 geometrisch identisch ausgeführt sind und der Scheitelpunkt 20 - bezogen auf den Abstand der zu den Rastnuten 16, 17 zugehörigen Axialpositionen des Nockenstücks 3 - mittig verläuft.

Bezugszahlen

1 Nockenwelle

2 Trägerwelle

3 Nockenstück

4 Lagerstelle

5 Nocken

6 Nocken

7 Nockenrolle

8 Axialkulisse

9 erste Kurvenbahn

10 zweite Kurvenbahn

11 Betätigungselement / Zylinderstift

12 Nutwand

13 Nutgrund

14 Radialbohrung

15 Rastkörper

16 Rastnut

17 Rastnut

18 Federmittel / Schraubendruckfeder

19 Druckentlastungsöffnung

20 Scheitelpunkt der Rastnuten

A Rampenabschnitt

B1 ,2 Hubabschnitt

C Einfahrabschnitt

D Rampenabschnitt

E1.2 Hubabschnitt

F Einfahrabschnitt