Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit hubvariabler Gaswechselventilbetätigung. Der Ventiltrieb umfasst eine Nockenwelle mit einer Trägerwelle und einem darauf drehfest und zwischen Axialpositionen verschieb- bar angeordneten Nockenstück, das zwei Nockengruppen unmittelbar benachbarter Nocken mit unterschiedlichen Erhebungen und endseitig eine Axialkulisse aufweist, in die ein Betätigungselement zum Verschieben des Nockenstücks auf der Trägerwelle einkoppelbar ist, und das mit einem zwischen den Nockengruppen verlaufenden Lagerzapfen versehen ist, der in einer ortsfest in der Brenn- kraftmaschine angeordneten Nockenwellenlagerstelle rotierend gelagert ist.

Hintergrund der Erfindung

Die Hubvariabilität eines derartigen Ventiltriebs wird bekanntermaßen dadurch erzeugt, dass die unterschiedlichen Erhebungen der Nocken jeweils mittels eines konventionell starr ausgebildeten Nockenfolgers selektiv auf das Gaswechselventil übertragen werden. Zur betriebspunktabhängigen Aktivierung der jeweiligen Erhebung ist das Nockenstück drehfest, jedoch verschieblich auf einer Trägerwelle angeordnet und wird der Nockenanzahl entsprechend zwischen den Axialpositionen hin und her verschoben. Ein gattungsgemäßer Ventiltrieb mit Mehrventiltechnik und zylindermittigen No- ckenwellenlagerstellen geht beispielsweise aus der DE 101 48 179 A1 hervor. Die Hubvariabilität dieses Ventiltriebs ist jedoch mit lediglich zwei Nocken pro Nockengruppe auf zwei Stufen beschränkt.

Höhervariable Ventiltriebe mit drei Nocken pro Nockengruppe sind in der DE 10 2007 010 148 A1 , DE 10 2007 010 149 A1 , DE 10 2007 010 150 A1 und der DE 10 2007 027 979 A1 vorgeschlagen. Eine wesentliche Gemeinsamkeit dieser Ventiltriebe besteht darin, dass es sich bei der Nockenwellenlagerstelle um eine radial in der Brennkraftmaschine abgestützte Baueinheit handelt, die den Lagerzapfen zwischen den Nockengruppen umschließt und in Abkehr von der „klassischen", d.h. starren Nockenwellenlagerung gemeinsam mit dem Nockenstück axial auf der Trägerwelle verschoben wird. Trotz der mit drei Nocken vergleichsweise breiten Nockengruppen in Verbindung mit der zylindermittigen No- ckenwellenlagerung und zudem gering beabstandeten Gaswechselventilen ermöglicht eine derartige Lagerkonstruktion eine ausreichend breite und von den Axialpositionen des Nockenstücks unabhängige Abstützbreite des Lagerzapfens.

Nachteilig ist der damit einhergehende Herstell- und Montageaufwand, insbesondere aufgrund der zusätzlich eingeführten Koaxial itätstoleranzen an der verschiebbaren Nockenwellenlagerstelle, da die Summentoleranzen im Hinblick auf den zulässigen Radialschlag der Nockenwelle in unverändert engen Grenzen einzuhalten sind.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ventiltrieb der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass trotz Beibehaltung einer einfa- chen und kostengünstig herstellbaren Lagerkonstruktion ein hohes Potenzial für eine mehr als zweistufige, insbesondere dreistufige Hubvariabilität gegeben ist. Zusammenfassung der Erfindung

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 , während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Er- findung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll der Durchmesser des Lagerzapfens größer als der Hüllkreisdurchmesser eines zum Lagerzapfen nächstliegenden Nockens sein, wobei sich dieser Nocken und die Nockenwellen- lagerstelle in einer der Axialpositionen des Nockenstücks axial überdecken. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, das klassisch starre Lagerungskonzept der Nockenwelle grundsätzlich beizubehalten, wobei jedoch die Durchmesservergrößerung von Lagerzapfen und Nockenwellenlagerstelle ein Eintauchen eines Nockens und vorzugsweise aller Nocken in die Nockenwellenlagerstelle erlaubt. Der hierdurch geschaffene Axialfreigang einer oder beider Nockengruppen gegenüber der Nockenwellenlagerstelle bildet einerseits die Grundlage für eine breite Ein- setzbarkeit derartiger Ventiltriebe auch bei Nockenwellenlagerungen mit vergleichsweise geringem Ventilabstand zur Nockenwellenlagerstelle und erhöht andererseits das Potenzial für eine drei- oder mehrstufige Hubvariabilität.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine geteilte Nockenwellenlagerstelle mit einer seitens der Gaswechselventile verlaufenden unteren Halbschale und einer durch einen Lagerdeckel gebildeten oberen Halbschale vorgesehen. Dabei soll die Lagerbreite der oberen Halbschale deutlich größer als die Lagerbreite der unteren Halbschale sein. Diese konstruktive Ausgestaltung der Erfindung berücksichtigt, dass hauptsächlich der den Gaswechselventilen abgewandte obere Teil der No- ckenwellenlagerstelle infolge der Ventilfeder- und Massenkräfte belastet ist und im Hinblick auf eine ausreichend tragfähige Abstützung des Lagerzapfens in allen Axialpositionen gleichwohl verbreitert werden kann, da der axiale Freigang der die Gaswechselventile betätigenden Nockenfolger gegenüber der Nockenwellenlagerstelle nur seitens der unteren Halbschale vorzusehen ist. Alternativ kann aber auch eine Tunnellagerung der Nockenwelle in einer ungeteilten Nockenwellenlagerstelle, wahlweise mit der über deren Umfang veränderlichen Lagerbreite vorgesehen sein. Für den bevorzugten Fall der dreistufigen Hubvariabilität mit drei unmittelbar benachbarten Nocken pro Nockengruppe ist außerdem lediglich eine bidirektional wirkende Axialkulisse vorgesehen, in die zwei Betätigungselemente abwechselnd einkoppelbar sind. Bei einer bidirektionalen Axialkulisse sind die in die beiden Axi- alrichtungen verlaufenden Kurvenbahnen räumlich zusammengefasst und verlaufen entweder axial nebeneinander oder radial hintereinander. Im Gegensatz hierzu hat das Nockenstück gemäß der eingangs zitierten DE 101 48 179 A1 zwei an dessen Endabschnitten verlaufende, unidirektionale Axialkulissen mit jeweils nur einer Kurvenbahn. Bidirektionale Axialkulissen mit sich axial kreuzenden Kurven- bahnen sind in der DE 10 2007 051 739 A1 und mit radial hintereinander verlaufenden Kurvenbahnen in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2009 009 080 A1 vorgeschlagen.

Aus der eingangs zitierten DE 10 2007 010 149 A1 geht eine ebenfalls bidirektio- nale Axialkulisse mit axial ineinander übergehenden Kurvenbahnen hervor, welche jedoch die Existenz von drei abwechselnd ein koppelbaren Betätigungselementen erfordert. Der vergleichsweise geringe axiale Bauraumbedarf der genannten bidirektionalen Axialkulissen führt zu axial kurz bauenden Nockenstücken und ermöglicht insbesondere bei breiten Nockengruppen mit drei oder mehr Nocken die Einhaltung des erforderlichen Axialabstands zwischen den Nockenstücken, die der Zündfolge der Brennkraftmaschine entsprechend nacheinander auf der Trägerwelle verschoben werden.

Ferner soll einer der drei Nocken erhebungsfrei sein. Bei diesem Nocken handelt es sich um einen sogenannten Grundkreisnocken, der aufgrund seiner rein zylindrischen Form zur Stilllegung des zugehörigen Gaswechselventils führt.

Vorzugsweise - alternativ können auch Wälzlager vorgesehen sein - bildet die Nockenwellenlagerstelle mit dem Lagerzapfen ein hydrodynamisches Gleitlager. Die Nockenwellenlagerstelle ist zu diesem Zweck von einem Hydraulikmittelkanal durchsetzt, dessen Mündung ins Gleitlager mit einer Kanalverengung versehen ist derart, dass die Mündung in allen Axialpositionen des Nockenstücks vom Lagerzapfen verdeckt ist. Mit anderen Worten wird hierdurch verhindert, dass sich der Lagerzapfen und der Hydraulikmittelkanal in den äußeren Axialpositionen des Nockenstücks mit entsprechend hohem Hydraulikmittelverlust nur teilweise überdecken.

Konstruktiv kann es sich bei der Kanalverengung um einen Durchlass in einem Einsatzteil handeln, das in einer Ausnehmung der Nockenwellenlagerstelle angeordnet und Teil der Gleitlagerfläche ist. Das Einsatzteil kann als in der Ausnehmung befestigte, zylindrische Scheibe und der Durchlass als im wesentlichen orthogonal zur Nockenwellendrehachse verlaufendes Langloch ausgebildet sein.

Sofern möglich und zweckmäßig sollen die vorgenannten Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung auch beliebig miteinander kombinierbar sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Figur 1 einen Ausschnitt eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit perspektivischer Darstellung der Nockenwellenlagerung;

Figur 2 den Ausschnitt aus Figur 1 ohne Lagerdeckel;

Figur 3 den Ausschnitt gemäß Figur 1 in Längsschnittdarstellung (Schnitt l-l in Figur 1 , ohne Trägerwelle) und

Figur 4 ein in der Nockenwellenlagerstelle (hydrodynamisches Gleitlager) angeordnetes Einsatzteil zur Bildung einer Kanalverengung vor dem Gleit- lager als vergrößert dargestellte Einzelheit. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

In den Figuren 1 bis 3 ist ein für das Verständnis der Erfindung wesentlicher Ausschnitt eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit Mehrventiltechnik und hub- variabler Gaswechselventilbetätigung offenbart. Ein für die Funktion des Ventiltriebs zentraler Bestandteil ist eine Nockenwelle 1 , die eine Trägerwelle 2 sowie - der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine entsprechend - darauf drehfest und zwischen drei Axialpositionen verschiebbar angeordnete Nockenstücke 3 umfasst. Zwecks Axialverschiebung sind die Trägerwelle 2 mit einer Außenlängsverzah- nung und jedes Nockenstück 3 mit einer dazu passenden Innenlängsverzahnung versehen. Die Verzahnungen, von denen die Innenlängsverzahnung 4 in Figur 3 erkennbar ist, sind an sich bekannt.

Zur Erzeugung der Hubvariabilität des Ventiltriebs hat jedes Nockenstück 3 zwei Nockengruppen mit jeweils drei unmittelbar benachbarten Nocken 5a-c und 6a-c, die bei gleichem Grundkreisradius unterschiedliche Erhebungen aufweisen. Diese werden selektiv, d.h. in Abhängigkeit der momentanen Axialposition des Nockenstücks 3, mittels Schlepphebeln 26 auf die Gaswechselventile 7 übertragen. Unter den unterschiedlichen Erhebungen sind unterschiedliche Beträge des jeweiligen Nockenhubs und/oder unterschiedliche Ventilsteuerzeiten der Nocken 5a-c und 6a-c zu verstehen. So handelt es sich bei den Nocken 5a und 6a um sogenannte Grundkreisnocken, die erhebungsfrei sind und jeweils zur Stilllegung des Gaswechselventils 7 führen.

Das Verschieben des Nockenstücks 3 zwischen dessen Axialpositionen erfolgt außerhalb der Erhebungen während der gemeinsamen Grundkreisphase der Nocken 5a-c und 6a-c. Die hierzu erforderliche Aktuatorik ist grundsätzlich beispielsweise aus der eingangs zitierten DE 101 48 179 A1 bekannt und umfasst eine nutförmige Axialkulisse 8 auf dem Nockenstück 3 und zwei Betätigungselemente 9 und 10 in Form zylindrischer Aktuatorstifte (hier stark vereinfacht dargestellt), die bezüglich der Nockenwelle 1 axial ortsfest, jedoch radial zur Nockenwelle 1 hin verlagerbar in der Brennkraftmaschine angeordnet und zwecks Verschiebung des Nockenstücks 3 in die Axialkulisse 8 einkoppelbar sind. Das Nockenstück hat vor- liegend lediglich eine endseitig angeordnete Axialkulisse 8, die jedoch mit zwei radial aufeinanderfolgenden und axial gegensinnigen Kurvenbahnen 11 und 12 bidirektional wirkend ausgebildet ist. Durch wechselweises Einkoppeln der beiden um eine Nockenbreite axial beabstandeten Betätigungselemente 9, 10 in die Kur- venbahnen 11 , 12 ist eine sukzessive Verschiebung des Nockenstücks 3 in dessen drei Axialpositionen möglich. Zu Einzelheiten einer solchen Axialkulisse 8 sei auf die eingangs zitierte DE 10 2009 009 080 A1 verwiesen.

Das Nockenstück 3 ist in dessen jeweiliger Axialposition durch eine Arretiervor- richtung gegen unkontrolliertes Verschieben gesichert. Die an sich bekannte und hier nicht näher dargestellte Arretiervorrichtung umfasst ein federbelastetes Druckstück, das in einer Querbohrung der Trägerwelle 2 gelagert ist und - je nach Axialposition des Nockenstücks 3 - in eine von drei Umlaufnuten 13, 14 und 15 am Innenumfang des Nockenstücks 3 einrastet (siehe Figur 3).

Zur radialen Lagerung der Nockenwelle 1 in der Brennkraftmaschine ist das Nockenstück 3 zwischen den Nockengruppen mit einem Lagerzapfen 16 versehen, der in einer ortsfest und zylindermittig in der Brennkraftmaschine angeordneten Nockenwellenlagerstelle 17 rotierend gelagert ist. Die geteilte Nockenwellenlager- stelle 17 ist aus einer unteren Halbschale 18, die seitens der Gaswechselventile 7 verläuft, und aus einer oberen Halbschale 19, die durch einen aufgeschraubten Lagerdeckel gebildet ist, zusammengesetzt. Die beidseits zur Nockenwellenlagerstelle 17 positionierten Schlepphebel 26 betätigen die beiden Einlassventile 7 eines Zylinders.

Wie es in der Darstellung mit entferntem Lagerdeckel 19 gemäß Figur 2 erkennbar ist und insbesondere aus der bemaßten Darstellung gemäß Figur 3 hervorgeht, ist der Durchmesser D des Lagerzapfens 16 erfindungsgemäß größer als der größte Hüllkreisdurchmesser d aller Nocken 5a-c und 6a-c. Diese konstruktive Ausgestaltung der Nockenwellenlagerung ermöglicht es nicht nur, dass die zum Lagerzapfen 16 nächstliegenden Nocken 5c und 6a, sondern alle Nocken 5a-c und 6a-c in den beiden äußeren Axialpositionen des Nockenstücks 3 in die Nockenwellenlagerstelle 17 eintauchen können. Trotz des geringen Abstands der Schlepphebel 26 zur Nockenwellenlagerstelle 17 kann auf diese Weise die dreistufige Hubvariabilität des Ventiltriebs realisiert werden, welche einer axialen Ge- samtverschiebung des Nockenstücks 3 um drei Nockenbreiten entspricht.

Figur 3 zeigt für die dort links äußere Axialposition des Nockenstücks 3, wie sich die Nocken 5a-c und 6a-c mit der Nockenwellenlagerstelle 17 axial überdecken. In dieser momentanen Axialposition sind die die größten Erhebungen aufweisenden Nocken 5c und 6c mit den Schlepphebeln 26 in Eingriff. Der Grundkreisnocken 6a ist vollständig in die Nockenwellenlagerstelle 17 eingetaucht, während dies für den Nocken 6b nur bezüglich der durch den Lagerdeckel gebildeten oberen Halbschale 19 zutrifft, deren Lagerbreite B belastungsgemäß deutlich größer als die Lagerbreite b der unteren Halbschale 18 ist. Die Nocken 5c und 6c haben in beiden äußeren Axialpositionen des Nockenstücks 3 eine geringe axiale Überdeckung mit der oberen Halbschale 19.

Der Lagerzapfen 16 bildet mit der Nockenwellenlagerstelle 17 ein hydrodynamisches Gleitlager. Zur dessen Versorgung dient ein Hydraulikmittelkanal 20, der in Form einer Bohrung den die untere Halbschale 18 tragenden Steg 21 durchsetzt und dessen Mündung ins Gleitlager mit einer Kanalverengung 22 in Richtung der Nockenwellendrehachse versehen ist. Die Kanalverengung 22 bewirkt, dass die Mündung des Hydraulikmittelkanals 20 auch in den beiden äußeren Axialpositionen des Nockenstücks 3 vollständig vom Lagerzapfen 16 verdeckt ist, so dass sich kein hydraulischer Verluststrom unmittelbar in die drucklose Umgebung des Gleitlagers ausbilden kann.

Bei der Kanalverengung 22 handelt es sich um einen Durchlass in einem Einsatzteil 23, das in einer Ausnehmung 24 der Nockenwellenlagerstelle 17 angeordnet ist und einen Teil der Gleitlagerfläche bildet. Das Einsatzteil 23 ist gemäß Figur 4 als zylindrische Scheibe ausgebildet, die in der Ausnehmung 24 in Form einer Senkung in der unteren Halbschale 18 eingepresst und bei aufgeschraubtem Lagerdeckel 19 gemeinsam mit der Nockenwellenlagerstelle 17 fertig bearbeitet wird. Die der Bohrung 20 abgewandte Stirnfläche 25 der Scheibe 23 ist dementsprechend zylindrisch konkav geformt. Der Durchlass 22 hat die Form eines orthogo- nal zur Nockenwellendrehachse verlaufenden Langlochs, dessen Breite deutlich kleiner und dessen Länge deutlich größer als der Durchmesser der Bohrung 20 ist. Im Hinblick auf eine möglichst geringe Drosselung des hindurch strömenden Hydraulikmittels sind dessen Abmessungen zudem so gestaltet, dass das Langloch 22 und die Bohrung 20 im wesentlichen gleich große Querschnittsflächen besitzen.

Liste der Bezugszeichen

1 Nockenwelle

2 Trägerwelle

3 Nockenstück

4 Innenlängsverzahnung

5 Nockengruppe mit Nocken 5a-c

6 Nockengruppe mit Nocken 6a-c

7 Gaswechselventil

8 Axialkulisse

9 Betätigungselement

10 Betätigungselement

11 Kurvenbahn

12 Kurvenbahn

13 Umlaufnut

14 Umlaufnut

15 Umlaufnut

16 Lagerzapfen

17 Nockenwellenlagerstelle

18 untere Halbschale

19 obere Halbschale / Lagerdeckel

20 Hydraulikmittelkanal / Bohrung

21 Steg

22 Kanalverengung / Durchlass

23 Einsatzteil / Scheibe

24 Ausnehmung

25 Stirnfläche der Scheibe

26 Schlepphebel

D Durchmesser des Lagerzapfens d Hüllkreisdurchmesser

B Lagerbreite der oberen Halbschale b Lagerbreite der unteren Halbschale