Die Erfindung betrifft einen Stößel für ein schaltbares Ventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiger Stößel ist aus der DE-A-29 52 037 bekannt. Der darin beschriebene Stößel für ein schaltbares Ventil einer Brennkraftmaschine weist ein Kupplungsglied auf, durch das das Ventil in einer ersten Schaltstellung abgeschaltet und in einer zweiten Schaltstellung zur Gaswechselsteuerung aktiviert ist. Das Kupplungsglied ist im Stößel verschiebbar und dazu als hydraulisch betätigbarer Kolben ausgebildet. Dieses Kupplungsglied ist in zwei den Schaltstellungen des Stößels zugeordneten Endstellungen durch eine Sperreinrichtung verriegelbar, die in jeweils eine Vertiefung am Kupplungsglied eingreift. Diese Verriegelungseinrichtung besteht beispielsweise aus einer federbelasteten Kugel oder einem hydraulisch beaufschlagbaren Kolben. Durch Druckbeaufschlagung des als Kolben wirkenden Kupplungsgliedes werden diese Sperreinrichtungen überdrückt bzw. gelöst, so daß die Möglichkeit besteht, daß bei der Ventilerhebung und druckbeaufschlagtem Kolben zwischen Ventilschaft und Bohrung im Kupplungsglied keine eindeutige Lage festgelegt ist, was dazu führen kann, daß der Ventilschaft unter hoher verschleißträchtiger Reibung in diese Bohrung eintaucht. Außerdem kann das Kupplungsglied bei entsprechend ungünstiger Ausrichtung des Ventilschaftes relativ zur Bohrung des Kupplungsgliedes zwar das Ventil mitnehmen, jedoch nur über einen Teilbereich der Hubhöhe, von wo aus das Ventil unter der Wirkung der Ventilfeder in den Ventilsitz ungedämpft zurückschlägt, was stark störende Geräusche und zusätzlichen Verschleiß verursacht.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Stößel zu schaffen, dessen Kupplungsglied sicher und definiert in festgelegten Zeitspannen bzw. bei bestimmten Nockenwinkeln aus seinen Endstellungen heraus schaltbar ist, so daß ein verschleißarmes, sicheres und schnelles Schalten ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine hohe Schaltsicherheit eines derartigen Stößels wird durch die entsperrbare Verriegelung des Kupplungsgliedes in zwei, den Schaltstellungen des Ventils zugeordneten Endstellungen erreicht. Durch die Verriegelung des Kupplungsgliedes in diesen beiden Endstellungen wird erreicht, daß der jeweilige Schaltvorgang erst nach Entriegelung der jeweiligen am Kupplungsglied angreifenden Sperreinrichtung möglich ist. Dadurch, daß die Sperreinrichtungen jeweils durch den Ventilschaft entriegelbar sind, ist die Entsperrung des Kupplungsgliedes in Abhängigkeit von der Position des Ventilschaftes und damit vom Drehwinkel des Nockens bzw. zu einem definierten Zeitpunkt möglich. Damit läßt sich sicherstellen, daß der Schaltvorgang in beide Richtungen jeweils zu einem festgelegten Zeitpunkt beginnt bzw. in einer festgelegten Zeitspanne erfolgt. Dies entspricht einer definierten Winkelstellung des Nockens . Somit wird der Schaltvorgang sicher und definiert in kurzer Zeit ausgeführt. Erhöhter Verschleiß durch übermäßige Reibkräfte bzw. Kantenpressungen ist damit ausgeschlossen. Dadurch, daß die Entriegelung der Sperreinrichtungen des Kupplungsgliedes durch den Ventilschaft des Ventils erfolgt, ist der Einsatz von Standardnockenwellen möglich. Der Ventiltrieb läßt sich damit entsprechend einfach ausbilden, da insbesondere auf eine aufwendige Betätigungshydraulik im drehenden System der Nockenwelle verzichtet werden kann.
Die Verriegelung des Kupplungsgliedes in den beiden Endstellungen wird besonderes sicher, wenn diese jeweils bei Erreichen der Endstellungen durch Einwirken eines Federelementes erfolgt. Damit läßt sich ein quasi selbsttätiges Verriegeln bei Endstellungen ermöglichen, ohne daß über den Eingriff des Ventilschaftes weitere von außen einwirkende Schalt- bzw. Verriegelungsmechanismen nötig werden. Die Federelemente lassen sich in platzsparender Weise in den Stößel integrieren.
Eine Entriegelung einer der Sperreinrichtungen im oberen Bereich der Hubkurve des entsprechenden Nockens läßt sich auf vorteilhafte Weise erreichen, wenn das Kupplungsglied eine Bohrung aufweist, in die der Ventilschaft bei entsprechender Stellung des Kupplungsgliedes eintauchen kann. Ist die entsprechende Sperreinrichtung so positioniert, daß sie durch den Ventilschaft im eingetauchten Zustand entsperrt wird, wird eine entsprechend im oberen Hubbereich wirksame Entriegelung erreicht. Über die Eintauchlänge des Ventilschaftes läßt sich der Schaltzeitpunkt festlegen.
Eine Entriegelung der zweiten Sperreinrichtung vor dem Durchlaufen des Grundkreisbereiches des Nockens wird erreicht, wenn der Ventilschaft in der zweiten Endstellung des Kupplungsgliedes an diesem anliegt.
Der Schaltvorgang wird durch Verschieben des Kupplungsgliedes auf vorteilhafte Weise erreicht, wenn dieses beabstandete Stützflächen aufweist, an denen sich der Kolben einerseits und andererseits ein Federelement abstützen, durch deren Zusammenwirken das Kupplungsglied in seine jeweiligen Endstellungen (bei entriegelter Sperreinrichtung) verschiebbar ist. Wird der Stößel nach Art einer Tasse aufgebaut, lassen sich in den Innenraum auf vorteilhafte Weise der Kolben, die Sperreinrichtungen, das Kupplungsglied und ein Federelement einsetzen, so daß der Stößel mit dem gleichen Bauraum wie herkömmliche Tassenstößel auskommt.
Eine mögliche Form der Sperreinrichtung läßt sich in vorteilhafter Weise ausbilden, wenn im Stößel ein federnder Sperriegel ausgebildet ist, der in der entsprechenden Endstellung am Kupplungsglied angreift. Eine andere vorteilhafte Form der Ausbildung der Sperreinrichtung ergibt sich durch Zusammenwirken zweier ineinandergreifender Teile des Kupplungsgliedes und der dieses führenden Führungsbahn. Die Entriegelung erfolgt dabei in vorteilhafter Weise durch Anheben des Kupplungsgliedes relativ zur Führungsbahn.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in
Eine nicht näher gezeigte Brennkraftmaschine weist in dem in Fig. 1 dargestellten Bereich einen zylindrischen Stößel 1 auf, der einem schaltbaren Ventil 2 zugeordnet ist und mittels einer einen Nocken 3 aufweisende Nockenwelle 4 betätigt wird. Der Stößel 1 ist in eine Bohrung 5 eines Zylinderkopfes 6 eingesetzt und stützt sich mit einer Druckfeder 7 ab. Das Ventil 2 umfaßt einen mit dem Ventilsitz 8 des Zylinderkopfes 6 zusammenwirkenden Ventilteller 9 sowie einen Ventilschaft 10, der mit einem Ventilfederteller 11 versehen ist. Zwischen Ventilfederteller 11 und Zylinderkopf 6 ist eine Ventilfeder 12 wirksam, die das Ventil 2 in der geschlossenen Stellung hält bzw. es in diese Stellung bewegt. Innerhalb des Stößels 1 ist eine Einrichtung 13 angeordnet, mit der zwei Schaltstellungen für das Ventil 2 einstellbar sind. In der ersten Schaltstellung (Fig. 2) ist das Ventil 2 aktiviert, d.h. der Ventilschaft folgt der Bewegung des vom Nocken aufgebrachten Hubes des Stößels. In der anderen Schaltstellung (Fig. 5) ist das Ventil 2 abgeschaltet, d.h. der Stößel 1 folgt der Hubbewegung des Nockens 3, während der Ventilschaft seine Lage beibehält.
Die Einrichtung 13 zur Schaltung des Ventils 2 wird durch einen Kolben 14 und ein Kupplungsglied 15 gebildet, die in den Stößel 1 integriert sind. Der Stößel 1 hat die Form einer zylindrischen Tasse 16, d.h. er besitzt ein Mantelteil 17 und einen Tassenboden 18, der sich mit geringem Abstand zum Nocken 3 erstreckt. Der Tassenboden 18 dient zur Aufnahme einer Einstellplatte 19, auf deren Oberseite 20 der Nocken 3 einwirkt. Vom Mantelteil 17 der Tasse 16 ragt ein Fortsatz 21 in den Innenraum 22, der eine Bohrung 23 zur Aufnahme und Führung des Kolbens 14 aufweist. Die Bohrung 23 geht aus von einer am Außenumfang des Mantelteils 17 umlaufenden Ringnut 24, über die auf an sich bekannte Art und Weise die Druckmittelbeaufschlagung des in der Bohrung 23 geführten Kolbens 14 erfolgt.
In den Innenraum 22 der Tasse 16 ist ein Formteil 25 eingesetzt, das am Tassenboden 18 anliegt und auf der dem Fortsatz 21 gegenüberliegenden Seite einen nach unten gezogenen Abschnitt 26 aufweist. Im mittleren Bereich des Formteils 25 ist eine Federzunge 27 ausgestanzt und nach unten abgebogen. Der Innenraum 22 wird an seiner Unterseite durch eine Führungsplatte 28 abgeschlossen, die an einer innen umlaufenden Schulter 29 des Mantelteils 17 anliegt. Die Oberseite der Führungsplatte 28 dient als Führungsbahn 30 des etwa senkrecht zur Ventilbewegung verschieblichen Kupplungsgliedes 15. Durch nicht näher dargestellte Führungen am Formteil 25 läßt sich eine gradlinige Bewegung des Kupplungsteils 15 ermöglichen. Die Führungsplatte 28 hat eine Öffnung 31, die dem Ventilschaft 10 gegenüberliegt und die von diesem bei entsprechender Bewegung durchdrungen werden kann.
Das Kupplungsglied 15 hat zwei einander gegenüberliegende Stützflächen 32, 33. An der dem Fortsatz 21 zugewandten Stützfläche 32 liegt der Kolben 14 an, während sich an der gegenüberliegenden Stützfläche 33 eine Druckfeder 34 abstützt, deren anderes Ende am Mantelteil 17 anliegt. Durch Druckbeaufschlagung des Kolbens 14 über die Bohrung 23 bzw. die Ringnut 24 läßt sich das Kupplungsglied 15 gegen die Wirkung der Druckfeder 34 verschieben. Das Kupplungsglied 15 ist in Richtung der Ventilbewegung durchgehend von einer Bohrung 35 durchdrungen, deren Durchmesser D größer ist als der Durchmesser d des Ventilschaftes. Das Kupplungsglied 15 hat an seiner Oberseite eine nach oben und zum Fortsatz 21 hin offene Vertiefung 36, die auf der dem Fortsatz 21 abgewandten Seite durch einen Anschlag 37 begrenzt ist. Auf diesem Anschlag 37 liegt in der in Fig. 2 dargestellten Stellung des Kupplungsgliedes 15 die Federzunge 27 des Formteils 25 auf. In der in Fig. 5 dargestellten zweiten Endstellung des Kupplungsgliedes 15 ragt die Federzunge 27 am Anschlag 37 vorbei in die Vertiefung 36. Das Kupplungsglied 15 hat an seiner der Führungsplatte 28 zugewandten Unterseite einen Fortsatz 38, der in der in Fig. 2 dargestellten Endstellung in die Öffnung 31 der Führungsplatte ragt. Der Fortsatz 38 ist in dieser Ausführungsform auf der dem Kolben 14 abgewandten Seite der Bohrung 35 ausgebildet.
Befindet sich das Kupplungsglied 15 bei drucklosem Kolben 14 unter der Wirkung der Druckfeder 34 in seiner (linken) Endstellung (Anlage am Fortsatz 21), ragt der Fortsatz 38 in die Öffnung 31 der Führungsplatte 28. Der Ventilschaft 10 liegt am Fortsatz 38 des Kupplungsgliedes 15 an. Gelangt bei Drehung des Nockens 3 der zwischen diesem und der Einstellplatte 19 wirkende Bereich in den Übergang zwischen Grundkreis 39 und Flankenbereich 40, wird der Stößel 1 durch die Hubwirkung des Nockens 3 nach unten gedrückt, bis das Kupplungsglied 15 gegen die Wirkung der Federzunge 27 nach oben angehoben und am Formteil 25 anliegt. Nach diesem Anheben des Kupplungsgliedes 15 ergibt sich eine starre Verbindung zwischen Nocken 3, Stößel 1 mit Kupplungsteil 15 und Ventilschaft 10, so daß entsprechende Hubbewegungen des Ventils ausgelöst werden. Der Nocken 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel so ausgebildet, daß der Grundkreis 39 etwa einen Winkel von 180° umfaßt und der Flankenbereich 40 ebenfalls etwa 180° umfaßt. Andere Nockenformen und andere Winkelbereiche sind natürlich ohne weiteres möglich. Kommt nach Durchlaufen des Flankenbereiches 40 der Wirkbereich zwischen Nocken 3 und Einstellplatte 19 wieder in den Bereich des Grundkreises 39, befindet sich das Ventil 2 wieder im geschlossenen Zustand und das Kupplungsglied 15 wird durch die Wirkung der Federzunge 37 nach unten gedrückt, bis der Fortsatz 38 in die Öffnung 31 eindringt.
Soll das Ventil 2 dagegen abgeschaltet werden, wird der Kolben 14 über die Ringnut 24 und die Bohrung 23 mit Druck beaufschlagt. Durch die Wirkung des hydraulischen Druckes wird das Kupplungsglied 15 gegen die Wirkung der Druckfeder 34 so lange nach rechts verschoben, bis der Fortsatz 38 an der Wandung der Öffnung 31 anliegt. Ein Verschieben darüber hinaus ist nicht möglich. Fortsatz 38 und Öffnung 31 wirken zusammen als Sperreinrichtung 41. Wird im Zusammenwirken zwischen Nocken 3 und Einstellplatte 19 der Übergang vom Grundkreisbereich 39 in den Flankenbereich 40 erreicht, wird das Kupplungsglied 15 - wie zuvor beschrieben (Fig. 3) - angehoben, so daß der Fortsatz 38 vollständig aus der Öffnung 31 austaucht. Aufgrund der beim Ventilhub (Durchlaufen des Flankenbereiches 40) wirkenden Reibkräfte zwischen Ventilschaft 10 und Kupplungsglied 15 einerseits und zwischen Kupplungsglied 15 und Formteil 25 bzw. Tassenboden 18 wird das Kupplungsglied 15 trotz wirksamem hydraulischem Druck am Kolben 14 in dieser Lage gehalten. Gelangt der zwischen Nocken 3 und Einstellplatte 19 wirksame Bereich nach einer Drehung um etwa 180° in den Übergang zwischen Flankenbereich 40 und Grundkreis 39, kann bei nachlassenden Reibkräften (geschlossenes Ventil) das Kupplungsglied 15 vom Kolben 14 gegen die Wirkung der Druckfeder 34 verschoben werden, so daß der Fortsatz 38 über die Öffnung 31 auf die Führungsplatte 28 verschoben wir (Fig. 4). Das Kupplungsglied 15 wird dann durch den Kolben 14 bis in die in Fig. 5 dargestellte (rechte) Endlage gedrückt und liegt an dem als Endanschlag dienenden Abschnitt 26 des Formteils 25 an. In dieser Endstellung kann die Federzunge 27 des Formteils 25 am Anschlag 37 vorbei in die Vertiefung 36 eintauchen. Die Federzunge 27 wirkt zusammen mit dem Anschlag 37 als zweite Sperreinrichtung 42, und verhindert ein Zurückstellen des Kupplungsgliedes 15. In dieser rechten Endstellung des Kupplungsgliedes 15 kann der Ventilschaft 10 in die Bohrung 35 des Kupplungsgliedes 15 eintauchen, so daß zwar der Stößel 1 der Hubbewegung des Nockens 3 folgt, der Ventilschaft 10 und damit das Ventil 2 jedoch nicht bewegt werden. Das Ventil 2 ist demzufolge abgeschaltet. Das Ventil 2 verbleibt in der abgeschalteten Stellung, solange der Kolben 14 mit Druck beaufschlagt ist.
Anstelle der Federzunge 27 kann ohne weiteres ein anderes winkelbewegliches Sperrelement (z.B. eine Sperrklinke) eingesetzt werden, das von einer Federkaft oder der Schwerkraft beaufschlagt wird.
Soll das Ventil 2 aus dieser Schaltstellung wieder aktiviert werden, muß der Kolben 14 durch entsprechende Ansteuerung des ihn versorgenden Hydraulikkreises drucklos geschaltet werden. Ein Zurückschieben des Kupplungsgliedes 15 durch die Druckfeder 34 ist jedoch erst möglich, wenn die zweite Sperreinrichtung 42 gelöst wird. Bis dahin verhindert das am Anschlag 37 anliegende Ende der Federzunge 27 das Zurückschieben. Bei der in Fig. 5 dargestellten Endstellung des Kupplungsgliedes 15 taucht (bei drucklosem Kolben 14) der Ventilschaft 10 in die Bohrung 35 des Kupplungsgliedes 15 ein. Erreicht der Nocken 3 im Zusammenwirken mit der Einstellplatte 19 den Bereich seiner höchsten Nockenerhebung (Nbll) ist der Ventilschaft 10 durch entsprechendes Herunterdrücken des Stößels 1 nahezu vollständig in die Bohrung 35 eingetaucht und liegt an der Federzunge 27 an. Durch vollständiges Herunterdrücken des Stößels 1 im Bereich der Nockenspitze, d.h. im Nockenbereich mit der höchsten Erhebung, wird die Federzunge 27 bis an den Tassenboden 18 angehoben (Fig.6). Das Kupplungsglied 15 kann nach der Entriegelung der zweiten Sperreinrichtung 42 durch die Druckfeder 34 nach links verschoben werden. Dieses Verschieben trotz eingetauchtem Ventilschaft 10 ist aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser von Ventilschaft 10 und Bohrung 35 möglich. Das Kupplungsglied 15 wird durch die Druckfeder 34 so weit nach links verschoben, bis die Wandung der Bohrung 35 am Ventilschaft 10 anliegt. In dieser Zwischenstellung Zs liegt das Ende der Federzunge 27 auf dem Anschlag 26 auf, so daß kein erneutes Verriegeln möglich ist. Ein vollständiges Zurückschieben des Kupplungsgliedes 15 in die erste (linke) Endstellung ist möglich, nachdem der Ventilschaft 10 vollständig aus der Bohrung 35 ausgetaucht ist, d.h. im Bereich des Zusammenwirkens des Grundkreises 39 mit der Einstellplatte 19. Das Kupplungsglied 15 wird so weit nach links verschoben, bis es am Fortsatz 21 anliegt und der Fortsatz 38 wieder in die Öffnung 31 gedrückt wird. Das Ventil 2 bzw. der Stößel 1 befindet sich wieder in der in Fig. 2 dargestellten aktivierten Stellung.
Durch die zuvor beschriebene Verriegelung des Kupplungsgliedes 15 in den beiden Endstellungen bzw. den beiden Schaltstellungen des Ventils 2 und die Entriegelung durch den Ventilschaft 10 wird ein definierter Schaltvorgang sichergestellt, bei dem die Verschiebung des Kupplungsgliedes 15 im wesentlichen während des Zusammenwirkens von Grundkreis 39 und Einstellplatte 19 erfolgt.
Die zuvor beschriebene Zuordnung von Endstellungen des Kupplungsgliedes und Schaltstellungen des Ventils sowie die Zuordnung zwischen den Schaltstellungen bzw. Endstellungen und den einzelnen Sperreinrichtungen ist als eine mögliche Ausführungsvariante zu sehen. Abweichende bzw. andere Zuordnungen sind natürlich ohne weiteres möglich. So kann beispielsweise das Ventil 2 in der ersten (linken) Endstellung des Kupplungsgliedes abgeschaltet und in der zweiten (rechten) Endstellung aktiviert sein.
Weiterhin sind auch Abwandlungen der Sperreinrichtungen ohne weiteres möglich. So kann beispielsweise das mit der ersten Sperreinrichtung 41 zusammenwirkende Federelement unabhängig von der zweiten Sperreinrichtung 42 ausgebildet sein.