[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine
hin- und hergehende Bewegung, insbesondere Nockensteuerung, Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen
von Kraftfahrzeugen oder dergleichen, mit mindestens einem auf einer angetriebenen
Trägerwelle angeordneten Nockenelement, mit einem durch das Nockenelement betätigten
Teil, insbesondere einem Ventil oder dergleichen, und mit einem flexiblen Umschließungselement,
das sich um den Umfang des Nockenelementes und einen am betätigten Teil vorgesehenen
Mitnehmer erstreckt.
[0002] Ventiltriebe für die Ventilsteuerung von Verbrennungsmotoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge,
weisen üblicherweise eine Einrichtung (Feder, Hydraulikelement, usw.) auf, mittels
der das Ventil in Schließstellung beaufschlagt ist. Der betätigte Teil (Ventilstößel,
Schlepphebel, Kipphebel od. dgl.) wird dadurch zumindest während der Offenphase gegen
einen zur Wellenachse exzentrischen Teil einer geschlossenen Ventilsteuerfläche gedrückt.
Beim Schließen des Ventils muß darauf geachtet werden, daß der Ventilteller nicht
zu schnell auf den Ventilsitz schlägt, da er sonst zurückprellt. Dies erfordert eine
relativ aufwendige Abstimmung zwischen den zu bewegenden Massen, den auftretenden
Kräften, den Materialeigenschaften, usw.
[0003] Es fehlt daher auch nicht an Vorschlägen, den betätigten Teil am Nockenelement zwangszuführen,
wobei verschiedene Ausführungsformen entwickelt wurden. Neben Ausführungen, bei denen
jeweils die Rückstellfeder durch eine zweite exzentrische Ventilsteuerfläche ersetzt
worden ist (beispielsweise GB-A 19193/1913, GB-A 434 247, EP-A 429 277, EP-B 355 659,
EP-A 384 361, usw.), sind auch Ausführungen bekannt geworden (DE-A 37 00 715, FR 2817908,
WO 01/12958), bei denen entsprechend der eingangs genannten Art ein Umschließungselement
vorgesehen und an dem insbesondere als Ventil ausgebildeten betätigten Teil fixiert
ist. Das Umschließungselement ist immer an die Nockenform angepasst, wobei sich das
Nockenelement dank der Beschaffenheit des Umschließungselementes in diesem verdrehen
kann. Die Wanderung des Nockenbereiches um die Drehachse des Nockenelementes wird
in eine Hub- bzw. Hin- und Herbewegung des im Zylinderkopf verschieb- oder schwenkbar
gelagerten betätigten Teiles umgewandelt. Dieser Teil führt keine Bewegung aus, solange
der betätigte Teil am Grundkreisbereich des sich drehenden Nockenelementes anliegt,
wird dann von der Drehachse des Nockenelementes in radialer Richtung entfernt und
schließlich wieder zurückgeführt, während der Nockenbereich des Nockenelementes den
Verbindungsbereich des Umschließungselementes mit dem betätigten Teil passiert.
[0004] Da das Umschließungselement im wesentlichen spielfrei an der Umfangsfläche des Nockenelementes
anliegt, würde sich ein vom Umschließungselement frei abstehendes Element immer senkrecht
zur Tangente an die Umfangsfläche des Nockenelementes ausrichten und dabei zum einen
im ansteigenden und zum anderen im abfallenden Nockenbereich aus der radialen Ausrichtung
zur Drehachse des Nockenelementes abweichen. Die Verbindung zwischen dem Umschließungselement
und dem Mitnehmer des betätigten Teil ist daher so beweglich ausgebildet, dass die
erforderliche Bewegungsfreiheit des betätigten Teiles in seinem Gleit- oder Schwenklager
gewährleistet ist, wofür insbesondere in der WO 01/12958 verschiedene Lösungen gezeigt
sind.
[0005] Das Umschließungselement kann aus einem Material mit einer reibungsarmen, gegebenenfalls
reibungsarm beschichteten Oberfläche hergestellt sein, um die entstehende Reibung
zwischen den Gleitflächen, also der Umfangsfläche des Nockenelementes und der anliegenden
Innenfläche des Umschließungselementes möglichst klein zu halten. Zusätzlich kann
eine Schmierung erfolgen, indem Öl beispielsweise durch das Nockenelement zu dessen
Umfang zugeführt wird.
[0006] Die Erfindung hat es sich nun zur Aufgabe gestellt, die in der Nockensteuerung, insbesondere
im Ventiltrieb entstehende Reibung zu verringern, und erreicht dies dadurch, dass
das flexible Umschließungselement um den Mitnehmer des betätigten Teiles beweglich
geführt ist.
[0007] Unter einer beweglichen Führung des Umschließungselementes um den Mitnehmer wird
dabei verstanden, dass das Umschließungselement am Mitnehmer nicht befestigt ist.
Da die Umschlingungslänge des Nockenelementes ein Vielfaches der Umschlingungslänge
des Mitnehmers ist, ist auch die zwischen dem Umfang des Nockenelementes und dem Umschließungselement
bestehende Reibung um ein Vielfaches größer als die Reibung zwischen dem Umschließungselement
und dem Mitnehmer. Zudem ist die Krafteinleitung anders: Es ergibt sich dadurch ein
geringeres Nockenantriebselement, da eine Reibung zwischen dem Umschlingungselement
und dem Nockenelement in Art einer Bandbremse wirkt. Es wird sich daher bei der Drehung
des Nockenelementes das Umschließungselement mit dem Nockenelement mitbewegen und
um den am betätigten Teil gehaltenen Mitnehmer umlaufen.
[0008] Der Mitnehmer kann in einer ersten Ausführung eine Gleitfläche zur Anlage an die
Innenseite des Umschließungselementes aufweisen, wobei die durch das über die Gleitfläche
gleitende Umschließungselement erzeugte Reibung in jedem Fall um ein Vielfaches kleiner
ist als die Reibung zwischen dem Umschließungselement und dem Nockenelement. Bevorzugt
weist der Mitnehmer in dieser Ausführung eine zweite Gleitfläche auf, mit der er am
Umfang des Nockenelementes anliegt. Der Mitnehmer greift daher gleitend zwischen die
beiden sich drehenden Körper ein, (vergleichbar mit einem Eingriff in eine Nut, die
sich aber unmittelbar vor der Eingriffsstelle öffnet und unmittelbar nach der Eingriffsstelle
wieder schließt). In diesem Fall hat der Mitnehmer einerseits die Funktion eines Rückstellelementes
beim Anheben des betätigten Teiles und andererseits die Funktion eines Nockenfolgers,
um die Bewegung an den betätigten Teil zu übertragen.
[0009] In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass der Mitnehmer durch eine Rolle
gebildet ist, die am betätigten Teil, beispielsweise mittels eines Wälzlagers, drehbar
gelagert ist. Die Reibung in der Nockensteuerung ist dadurch nochmals verringert,
da die Rolle entweder vom Nockenelement oder, wie bei einem Zugmittelgetriebe, vom
Umschließungselement mitgedreht wird. Nur Rollreibung ist zu überwinden, wenn die
Rolle nicht als Nockenfolger benützt wird. Letzteres lässt sich in einer weiteren
bevorzugten Ausführung dadurch erreichen, dass die den Mitnehmer bildende Rolle koaxial
mit zumindest einer Abtastrolle angeordnet ist, die am Umfang des Nockenelementes
anliegt. Ein eine derartige Ausbildung ermöglichendes Nockenelement weist bevorzugt
zwei voneinander axial beabstandete Nockenbereiche, an denen je eine Abtastrolle anliegt,
und einen Mittelbereich auf, der vom Umschließungselement umgeben ist. Die Mitnehmerrolle
ist im Durchmesser geringfügig kleiner oder der Mittelbereich ist mit einer Nut versehen,
um die Berührung zwischen der Mitnehmerrolle und dem Nockenelement auszuschließen.
Die Drehrichtung der Mitnehmerrolle ist entgegengesetzt der Drehrichtung der koaxialen
Abtastrollen. Ebenfalls nur Rollreibung ist gegeben, wenn die Rolle über eine Zwischenrolle
am Umfang des Nockenelementes anliegt.
[0010] Der Mitnehmer ist bevorzugt aus einem keramischen Material gefertigt.
[0011] Das Umschließungselement kann beispielsweise ein Streifen oder Band aus einem Flächenmaterial
sein, in dem Fäden oder Fasern in einer textilen Bindung vorgesehen sind, und das
in einer textilen Rundarbeitstechnik (Rundweben, Rundstricken, Rundwirken, usw.) nahtlos
hergestellt ist. Eine rundgewebte geschlossene Schlaufe enthält vorzugsweise Aramid-,
Kevlar-, Kohle- oder Glasfasern als in Umfangsrichtung verlaufende Schußfäden, die
eine hohe Längenkonstanz und Temperaturbeständigkeit besitzen. Das Umschließungselement
kann weiters auch ein Stahlband sein, das beispielsweise aus einer Titanlegierung
gefertigt ist, bzw. ein Seil aus einem beliebigen Material, das in eine Umfangsnut
am Nockenelement eingelegt ist. Das flexible Umschließungselement kann weiters auch
durch einen verformbaren Ring gebildet sein. Ist der Ring aus Kunststoff, kann er
auch faserverstärkt, bzw. innen und/oder außen mit einem Stahl- oder Gewebeband verstärkt
sein. Speziell in dieser Ausführung könnte auch ein gummielastischer Kunststoff verwendet
werden, der an das Band anvulkanisiert wird. Schließlich kann als Umschließungselement
auch eine Glieder- oder Rollenkette oder dergleichen verwendet werden.
[0012] Das Umschließungselement kann auch längenelastisch ausgebildet sein, um ein eventuelles
Spiel bzw. Ungenauigkeiten ausgleichen, und kann mit geringer Vorspannung montiert
werden.
[0013] Der Mitnehmer kann an einem zweiteiligen Halter vorgesehen sein, dessen beiden Teile
beispielsweise im Falle eines Ventiltriebs den Ventilschaft eines Hubventils einschließen.
Dies ermöglicht es, den Ventilschaft drehbar und/oder in der Länge justierbar am Halter
anzuordnen.
[0014] Die zu beschleunigenden Massen sind in einem erfindungsgemäßen Ventiltrieb durch
den Wegfall der Ventilfeder und des Federtellers sowie durch eine wesentlich leichtere
Bauweise des Ventilstößels, Schlepp- oder Kipphebels reduziert. Der Einsatz von Leichtmetallen,
Keramiken oder Kunststoff für das Ventil erlauben eine Reduktion der zu beschleunigenden
und verzögernden Massen von 50 % bis 80 % des Wertes eines Ventilstößels mit Rückstellfeder
und hydraulischem Spielausgleich. Die hohen Werte ergeben sich insbesondere im Teillastbereich,
da die Ventilfedern auf Volllastsicherheit ausgelegt sein müssen. Weiters kann das
Ventil kürzer ausgeführt werden, da die platzraubende Ventilfeder entfällt.
[0015] Auch das Nockenelement kann kleiner ausgeführt werden. Ebenso wird auch die Ausbildung
von Kunststoffnockenelementen bzw. vollständig aus Kunststoff, beispielsweise im Spritzguß
hergestellten Nockenwellen realisierbar. Auch die Verwendung anderer Leichtbaustoffe
für die Herstellung der Nockenwellen oder der Nockenelemente, beispielsweise Aluminium
wird möglich. Aufgrund der Massenreduzierung und der Gleitschmierung sind Kraftstoffeinsparungen
von 5 % und mehr zu erwarten.
[0016] Insbesondere wenn mehrere betätigte Teile gemeinsam betätigt werden, kann eine schwache
Feder für die Beaufschlagung jedes betätigten Teils vorgesehen werden.
[0017] Nachstehend wird nun die Erfindung an Hand der Figuren der beiliegenden Zeichnungen
näher beschrieben, ohne darauf beschränkt zu sein.
[0018] Es zeigen:
- Fig. 1
- eine Schrägansicht einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- Fig. 2
- einen Längsschnitt durch die Vorrichtung,
- Fig. 3
- einen vergrößerten Querschnitt durch den Anbindungsbereich des betätigten Teiles,
- Fig. 4
- eine schematische Stirnansicht einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- Fig. 5
- eine vergrößerte Schrägansicht des Mitnehmers,
- Fig. 6
- einen vergrößerten Querschnitt durch den Anbindungsbereich des betätigten Teiles,
- Fig. 7
- eine Schrägansicht einer dritten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- Fig. 8
- einen vergrößerten Querschnitt durch den Anbindungsbereich des betätigten Teiles gemäß
der Linie VIII-VIII der Fig. 9, und
- Fig. 9
- einen vergrößerten Längsschnitt durch den Anbindungsbereich.
[0019] In den Zeichnungen ist jeweils nur ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in Form eines Ventiltriebs gezeigt, wobei ein für einen Verbrennungsmotor
eingesetzter Ventiltrieb die erforderliche Anzahl von Nockenelementen 2 auf der Trägerwelle
1 aufweist.
[0020] Das Nockenelement 2 wirkt auf einen betätigten Teil 10, der in den Fig. 1 bis 3 einen
Ventilschaft 11 eines im Zylinderkopf 3 verschiebbaren Hubventils umfasst, dessen
oberes Ende in einem aus zwei Teilen 12' zusammengesetzten Halter drehbar gelagert
ist. Die beiden Teile 12' greifen mit Rippen in Umfangsnuten des Ventilkopfes 11 ein
und werden durch eine Schraube 9 oder dergleichen aneinander gehalten. Oberhalb der
Schraube 9 ist ein Stift oder Bolzen 14 vorgesehen, der in die beiden Teile 12' eingesteckt,
und insbesondere befestigt ist; er könnte aber auch drehbar gelagert sein.
[0021] Ein in sich geschlossenes Umschließungselement 4 umgibt - ohne Befestigung - den
Umfang des Nockenelements 2 und den Stift oder Bolzen 14, und hält diesen anliegend
am Umfang des Nockenelementes 2. Der Stift oder Bolzen 14 stellt einerseits einen
Mitnehmer 13 des Hubventils und andererseits einen Nockenfolger dar, sodass die Zwangsführung
des linear betätigten Teiles 10 in beide Richtungen gegeben ist. Da die Reibung zwischen
dem Stift oder Bolzen 14 und dem Umschließungselement 4 sowie dem Nockenelement 2
wesentlich kleiner ist als zwischen dem Nockenelement 2 und dem Umschließungselement
4, wird sich das Umschließungselement 4 bei Drehung des Nockenelementes 2 mit diesem
mitdrehen und über den Stift oder Bolzen 14 gleiten, obwohl sich das Nockenelement
2 auch im Umschließungselement 4 durchdrehen könnte. Der Stift oder Bolzen 14 kann
beispielsweise aus einem keramischen Material gefertigt sein, und das Umschließungselement
4 aus einem Stahlband, einem Gewebeband aus reibungsarmen Fäden, usw..
[0022] In Fig. 4 bis 6 ist eine Ausführung gezeigt, in der der betätigte Teil 10 einen in
einem Gelenk 20 oder dergleichen schwenkbar gelagerten Schlepphebel aufweist, dessen
freies Ende mit einem Ventilschaft 11 beweglich und gegebenenfalls in der Länge einstellbar
und/oder drehbar verbunden ist. Die Darstellung ist eher schematisch, da Details der
Schlepphebelkonstruktion für das Verständnis der Erfindung nicht von Bedeutung sind.
Der Schlepphebel bildet einen Halter, an dem der Mitnehmer 13 vorgesehen ist, der
in Fig. 5 in Schrägansicht gezeigt ist. An Scheiben, die in Bohrungen in Seitenlaschen
12 des Schlepphebels eingesetzt werden, sind der Stift oder Bolzen 14 und ein als
Nockenfolger dienender Steg 18 angeordnet, wobei der Stift oder Bolzen 14 in den beiden
Scheiben des Mitnehmers 13 exzentrisch drehfest oder drehbar gehalten ist. Die exzentrische
Anordnung ermöglicht die Justierung des Ventils. Wenn der Stift oder Bolzen 14 drehfest
angeordnet ist, so stellt seine Mantelfläche 17 eine Gleitfläche zum Umschließungselement
4 dar. Der Steg 18 weist zur Anlage am Nockenelement 2 eine gebogene Gleitfläche 19
auf, wie Fig. 6 zeigt. Der Steg 18 und der Stift oder Bolzen 14 können auch als einstückiges
Element ausgebildet sein, das einen nichtzylindrischen Querschnitt aufweist. Auch
in dieser Ausführung ist das Umschließungselement bevorzugt ein Stahlband oder ein
Gewebeband, und der Stift oder Nocken 14 ist bevorzugt aus keramischem Material oder
zumindest keramisch beschichtet, wenn er drehfest angeordnet ist. Stellt der Stift
oder Bolzen 14, eine drehbare Welle dar, so können die Enden in den beiden Scheiben
des Mitnehmers 13 auch mittels Wälzlager gelagert sein. Zum Spielausgleich des Ventils
oder Spannen des Umschließungselementes kann der Stift oder Bolzen 14 auch exzentrisch
verdrehbar sein.
[0023] Weiters kann der Stift oder Bolzen 14 zur besseren Führung des Umschließungselementes
4 auch eine geringfügig konvex gekrümmte Umlenkfläche bzw. Erzeugende aufweisen.
[0024] In den Fig. 7 bis 9 ist eine weitere Ausführung gezeigt, deren betätigter Teil 10
wiederum einen drehbar gelagerten Schlepphebel und einen Ventilschaft 11 umfasst.
In den Seitenlaschen 12 des Schlepphebels ist der Stift oder Bolzen 14 vorgesehen,
der als Lagerachse für eine mittlere Rolle und zwei seitliche Abtastrollen 15 dient.
Die mittlere Rolle weist einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Abtastrollen
15 auf. Das Nockenelement 2 umfasst ebenfalls drei axial nebeneinander liegende Bereiche
5, 6 und 5, wobei im mittleren Bereich 6 das Umschließungselement 4 vorgesehen ist,
das über die das Nockenelement 2 nicht berührende mittlere Rolle des Mitnehmers 13
geführt ist. Die Rolle kann sich daher drehen, wenn das Umschließungselement 4 sich
mit dem Nockenelement 2 mitdreht. Die beiden seitlichen Bereiche 5 des Nockenelementes
2 dienen der Anlage der beiden als Nockenfolger wirksamen, auf dem Stift oder Bolzen
14 gelagerten Abtastrollen 15 des Mitnehmers 13, die sich auf den drehenden Nockelement
2 abwälzen und vom Umschließungselement 4 anliegend gehalten werden. Alle drei Rollen
sind mit Wälzlagern 16 versehen. Anstelle des kleineren Durchmessers der mittleren
Rolle kann auch der mittlere, vom Umschließungselement 4 umgebene Bereich 6 des Nockenelementes
2 vertieft sein, um die Berührung zu vermeiden.
[0025] Das Umschließungselement 4 ist, wie erwähnt, bevorzugt ein Stahlband oder ein Gewebeband.
Es kann aber auch durch einen Kunststoffring, durch eine Glieder- oder Rollenkette,
durch einen Riemen oder durch ein Seil gebildet sein. Der mittlere Bereich 6 des Nockenelementes
kann hierzu passend ausgebildet und gegebenenfalls auch form- oder kraftschlüssig
in das Umschließungselement 4 angreifen. Eine begrenzte Dehnbarkeit des Umschließungselementes
4 ist ebenfalls möglich, sodass es mit Vorspannung montiert und für einen Spielausgleich
und/oder die Erzeugung einer Schließkraft herangezogen werden kann.
[0026] Die als Nockenfolger eingesetzten Teile (Stift oder Bolzen 14 in Fig. 1 bis 3, Steg
18 in Fig. 4 bis 6, Abtastrollen 15 in Fig. 7 bis 9) können in der Grundbereitstellung
einen geringen Abstand zum Nockenelement 2 aufweisen, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist.
Dieser Abstand ergibt sich durch die Anlage des Ventiltellers im Ventilsitz und dient
zum Toleranz-, Verschleiß- und Wäremdehnungsausgleich.
1. Vorrichtung zur Umwandlung einer Drehbewegung in eine hin- und hergehende Bewegung,
insbesondere Nockensteuerung, Ventiltrieb für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen
oder dergleichen, mit mindestens einem auf einer angetriebenen Trägerwelle (1) angeordneten
Nockenelement (2), mit einem durch das Nockenelement (2) betätigten Teil (10), insbesondere
einem Ventil oder dergleichen, und mit einem flexiblen Umschließungselement (4), das
sich um den Umfang des Nockenelementes (2) und einen am betätigten Teil (10) vorgesehenen
Mitnehmer (13) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschließungselement (4) um den Mitnehmer (13) beweglich geführt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (13) eine Gleitfläche (17) zur Anlage an der Innenseite des Umschließungselementes
(4) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (13) eine zweite Gleitfläche (19) zur Anlage am Umfang des Nockenelementes
(2) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (13) durch eine Rolle gebildet ist, die am betätigten Teil (10) drehbar
gelagert ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle koaxial mit zumindest einer Abtastrolle (15) angeordnet ist, die am Umfang
des Nockenelementes (2) anliegt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (13) aus einem keramischen Material hergestellt ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (13) an einem zweiteiligen Halter vorgesehen ist, dessen beiden Teile
(12') einen Ventilschaft (11) oder dergleichen einschließen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (11) in der Länge einstellbar angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschaft (11) um seine Achse drehbar angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschließungselement (4) aus einem textilgebundenen Flächenmaterial, insbesondere
einem Gewebe gebildet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe in Umfangsrichtung verlaufende Schussfäden aus möglichst längenkonstanten
Fasern enthält.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschließungselement (4) in einer textilen Rundarbeitstechnik hergestellt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschließungselement (4) eine Stahlband ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschließungselement (4) ein Riemen oder ein Seil ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschließungselement (4) eine Glieder- oder Rollenkette ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Umschließungselement (4) ein Kunststoffring ist
17. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenelement (2) zwei voneinander axial beabstandete Nockenbereiche (5), an
denen zwei Abtastrollen (15) anliegen, und einen Mittelbereich (6) aufweist, in dem
das Umschließungselement (4) angeordnet ist.