[0001] Die Erfindung betrifft einen Ventiltrieb, insbesondere für Brennkraftmaschinen von
Kraftfahrzeugen, mit mindestens einem angetriebenen Nockenelement, dessen Umfangsfläche
einen konvexen Grundkreisbereich und einen konvexen Nockenbereich aufweist, und mit
einem vom Nockenelement verschieb- oder verschwenkbaren Nockenfolgeelement, insbesondere
einem Ventilstößel, wobei das Nockenelement drehbar in einem flexiblen Umschließungselement
angeordnet ist, das mit dem Nockenfolgeelement beweglich verbunden ist.
[0002] Moderne Verbrennungsmotoren sollen ein hohes Drehmoment über den ganzen Drehzahlbereich
erreichen (z.B. 100 Nm pro Liter Hubraum). Dafür werden hohe Zylinderfüllungen (Luft
und Treibstoff) benötigt, da das Drehmoment direkt von der Füllung abhängt. Die Füllung
wird durch den Ventilhub, die freigegebene Ventilfläche (Ventildurchmesser), den Kanalquerschnitt
und die Strömung bestimmt. Der Ventilhub wird geometrisch durch den Kolben beschränkt
sowie durch das andere Ventil, wenn Einund Auslassventile gleichzeitig geöffnet sind.
Die Strömung wird durch die freigegebene Querschnittsfläche bestimmt, d.h. auch wenn
der Ventilhub zunimmt, wird die durch den Ventilteller freigegebene Ringfläche nicht
mehr größer und es kann nicht mehr Frischgas nachströmen (Faustregel: maximaler Ventilhub
= 1/3 des Ventiltellerdurchmessers). Das Verlängern der Schließzeit ist auch begrenzt,
da dies in der Überschneidungsphase, wenn Ein- und Auslass gleichzeitig offen sind,
zu Füllungsverlusten (Frischgas strömt in den Auspuff) und beim zu späten Schließen
zu Rückströmungen in das Ansaugsystem führt. Lange Öffnungszeiten verschieben die
Leistung in höhere Drehzahlbereiche, d.h. der Motor verliert bei niederen Drehzahlen
an Leistung (Drehmoment), was nicht gewünscht ist bzw. nur bei Rennmotoren Sinn gibt.
[0003] Geht man nun von einem maximal möglichen Ventilhub und einer idealen Öffnungslänge
aus, dann kann das Einströmvolumen nur noch durch den Verlauf des Ventilhubes erhöht
werden (Hub in Relation zu Nockenwinkel). Bei konventionellen Ventiltrieben mit Rückstellfedern
wird dies durch die maximal mögliche Ventilverzögerung vor dem Vollhub des Ventils
beschränkt, wenn die Massenkraft entgegen der Federkraft wirkt. Hier lässt man ca.
20 bis 25 mm/rad
2 zu (= etwa 3.000 m/sec
2 bei 7.000 U/min Motordrehzahl).

bzw.

[0004] Geht man darüber, dann muß die Ventilfeder - die ja dieser Beschleunigung multipliziert
mit der Ventilmasse plus anderen oszillierenden Teilen entgegenwirkt ― stärker ausgelegt
werden, was mehr Flächenpressung, Wechselmoment und Belastung des Ventiltriebes ergibt.
Dies will man nicht. Somit bleibt zum "Füllen" des Brennraumes nur noch eine größere
Hubzunahme pro Zeit- oder Nockenwinkeleinheit übrig, d.h. das Ventil muss aus dem
Ventilsitz möglichst schnell geöffnet werden.
[0005] Ein weiterer Vorteil des schnellen Öffnen ist die Ausnutzung der Gasdynamik. Vor
dem geschlossenen Einlassventil schwingt die Frischluftgassäule, d.h. es wird hier
durch Resonanzschwingrohre ein Überdruck erzeugt, z.B. von 0,3 bar. Wenn das Ventil
nun langsam öffnet, dann kann die Gassäulendynamik nicht ausgenutzt werden und es
gibt erhöhte Reibungs- und Strömungsverluste. Eine schlagartige, technisch aber nicht
ausführbare Vollöffnung würde die schwingende Gassäule unmittelbar einströmen lassen.
[0006] Moderne Motoren sollen ca. 80 bis 85 mm/rad
2 erreichen (= ca. 10.000 m/sec
2 bei 7.000 U/min Motordrehzahl). Bei Schlepphebelventiltrieben, bei denen sich der
Berührungspunkt von Nocken und Abtastelement horizontal gesehen nur minimal verschiebt,
bestehen die zwei nachfolgend beschriebenen Möglichkeiten zum Erreichen hoher Beschleunigungen
beim Öffnen (und Schließen).
[0007] Bei einem Nockenelement, dessen konvexe Bereiche direkt ineinander übergehen oder
durch einen geradlinigen Abschnitt verbunden sind (Tangentennocken), kann durch Vergrößern
des Grundkreisdurchmessers die Hubzunahme pro Winkeleinheit (= Beschleunigung) erhöht
werden. Zum Erreichen der gewünschten 80 mm/rad
2 müsste der Radius des Nockengrundkreises aber im Bereich über 30 mm liegen, was konstruktiv
nicht mehr sinnvoll ausführbar ist. Sinnvolle Nockengrundkreisradien liegen im Bereich
von 16 bis 20 mm. Führt man den Tangentennocken mit 25 mm aus, dann sind die Beschleunigungen
zu gering (50 ― 60 mm/rad
2), es wird Füllung und damit Drehmoment verschenkt.
[0008] Eine zweite Möglichkeit zum Erreichen hoher Beschleunigungen, die allerdings nur
bei Schlepphebelventiltrieben erreichbar ist, ist die Ausbildung eines konkaven Übergangsbereiches
zwischen dem kovexen Grundkreisbereich und dem konvexen Nockenbereich, d.h. der Grundkreiswinkel
und der Nockenwinkel sind aufgrund der Einbuchtung vergrößert. Bei direkten Ventiltrieben
mit Tassenstößel ist diese Ausbildung sinnlos, da die Oberfläche des Tassenstößel
zu groß ist und den konkaven Übergangsbereich überbrückt.
[0009] Bei konventionellen Schlepphebelventiltrieben werden negative Krümmungsradien von
minimal 40 mm ausgeführt, die dann die gewünschten 80 bis 85 mm/rad
2 an Beschleunigung erzeugen. Unter diesen Wert von 40 mm geht man in der Serienproduktion
nicht gerne, da dies zu kleine Schleifscheibendurchmesser und zu dünne Schleifscheibenaufnahmen
erfordert und die wirtschaftliche Herstellung nicht mehr ermöglicht. Kleinere Hohlradien
müssen dann mit Bandschleifmaschinen geschliffen werden, was ungleich teurer und aufwendiger
ist.
[0010] Aufgrund der Vielzahl von Problemen bei der erforderlichen Abstimmung zwischen der
Nockenform, den zu bewegenden Massen, den auftretenden Kräften, den Materialeigenschaften,
usw. fehlt es auch nicht an Vorschlägen, das Nockenfolgeelement am Nockenelement zwangszuführen,
wobei verschiedene Ausführungsformen entwickelt wurden, denen jeweils zwei exzentrische
Ventilsteuerflächen anstelle der Rückstellfeder zugrundeliegen. Konkrete Ausführungen
sind beispielsweise der GB-A 19193/1913 oder der GB-A 434 247 zu entnehmen, in denen
das Nockenelement an zumindest einer Stirnfläche eine Nut aufweist, deren beiden Seitenwände
die Ventilsteuerflächen bilden. In die Nut greift von der Seite eine Rolle od. dgl.
ein, die am Ende des Nockenfolgeelementes angeordnet ist. Ein Nockenelement, das einen
umgreifbaren Steg aufweist, ist beispielsweise aus der EP-A 429 277 bekannt. Trotz
Wegfall der Rückstellfeder ist gegebenenfalls eine der Ventilöffnung entgegenwirkende
Kraft erforderlich, um einen Ventilspielausgleich für die Schließstellung sicherzustellen.
Dies kann mechanisch über eine Feder zwischen zwei relativ zueinander beweglichen
Teilen des Ventilstößels erfolgen, wie beispielsweise die US 1,238,175 A oder die
US 1,937,152 zeigen.
[0011] Ein weiterer Vorschlag für einen desmodromischen Ventiltrieb, bei dem eine platzsparende,
leichtgewichtige und preisgünstige Konstruktion erreicht wird, ist der die eingangs
genannte Art zeigenden DE-A 37 00 715 zu entnehmen. Bei dieser Ausführung ist ein
Umschließungselement vorgesehen, das den Umfang des Nockenelementes ohne nennenswertes
Spiel umgibt, sodaß es immer an die Nockenform angepaßt ist, wobei sich aber das Nockenelement
dank der Beschaffenheit des Umschließungselementes in diesem verdrehen kann. Da das
mit dem Nockenfolgeelement verbundene Umschließungselement sich nicht mit dem Nockenelement
mitdrehen kann, wird die Wanderung des Nockenbereiches um die Drehachse des Nockenelementes
in eine Hub- bzw. Hin- und Herbewegung des im Zylinderkopf verschieb- oder schwenkbar
gelagerten Nockenfolgeelementes umgewandelt. Das Nockenfolgeelement führt keine Bewegung
aus, solange der Verbindungsbereich des Umschließungselementes mit dem Nockenfolgeelement
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 Nockenfolgeelement passiert. Die bewegliche Verbindung
des Umschließungselementes mit dem Nockenfolgeelement läßt die Schwenk- bzw. Kippbewegung
des Umschließungselementes im Nockenbereich zu, sodaß die erforderliche Bewegungsfreiheit
des Nockenfolgeelementes in seinem Gleitoder Schwenklager gewahrt bleibt. Das Umschließungselement
ist im ersten Ausführungsbeispiel aus zwei flexiblen Ringen gebildet, zwischen denen
zur Verringerung der Reibung nadelförmige Rollkörper vorgesehen sind. Eine zweite
Ausführung zeigt ein Kunststoffband mit einer inneren Keramikgleitschicht.
[0012] Weitere Ausführungsbeispiele sind auch der WO 01/12958 A zu entnehmen.
[0013] Insbesondere in der Anwendung des Ventiltriebs in Brennkraftmaschinen ist ein Umschließungselement
hohen Belastungen unterworfen, und es müssen temperatur- oder materialermüdungsbedingte,
plastische Verlängerungen des Umschließungselementes ausgeschlossen werden. Eine irreversible
Vergrößerung des Spaltes zwischen dem Umfang des Nockenelementes und dem Umschließungselement
wirkt sich vor allem auf die Ventilschließstellung aus. Lösungen für dieses Problem
zeigt die WO 01/12959 A.
[0014] Ein Vorteil der Zwangssteuerung durch ein Umschließungselement ist es, hohe Beschleunigungen
und Verzögerungen ohne Überbelastung des Ventiltriebs erreichen zu können. Hiefür
scheint nur eine konvexe, höchstens noch eine Tangentennockenform sinnvoll, da sich
das Umschließungselement nicht selbsttätig in einen konkaven Übergangsbereich einlegen
kann. Die Tangentennockenform erbringt aber bei sinnvollem Grundkreisabmessungen nicht
die gewünschten Beschleunigungswerte und verschenkt somit einen wichtigen Vorteil
der Zwangssteuerung, nämlich schnell - und damit thermodynamisch ideal ― zu öffnen.
Hohe Verzögerungen bei maximalem Ventilhub können zwar erreicht werden, doch kann
der Füllungsverlust durch langsames Öffnen damit nicht mehr kompensiert werden. Somit
verliert die Zwangssteuerung an Attraktivität. Die Zwangssteuerung erlaubt einen leicht
größeren Grundkreisradius bis 25 mm als die Schlepphebelnocken, da der Bauraumverlust
aufgrund des größeren Grundkeisradius durch die fehlende Feder usw. überkompensiert
wird.
[0015] Die Erfindung hat es sich nun zur Aufgabe gestellt, eine Zwangssteuerung der eingangs
genannten Art zu schaffen, die hohe Beschleunigungs- und Verzögerungswerte ermöglicht.
[0016] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zwischen dem Grundkreisbereich und
dem Nockenbereich des Nockenelementes ein konkaver Übergangsbereich vorgesehen ist,
in den das Umschließungselement durch eine der Ventilöffnung entgegenwirkende Kraft
eindrückbar ist.
[0017] Auf diese Weise können trotz des Umschließungselementes, das den konkaven Übergangsbereich,
ähnlich wie der vorstehend erwähnte Tassenstößel an sich nur ebenflächig überbrücken
würde, die Vorteile des konkaven Übergangsbereiches zur Erzielung der hohen Beschleunigungswerte
beim Öffnen und gegebenenfalls auch beim Schließen erreicht werden.
[0018] Um diese Kraft trotz Wegfalls der Ventilfeder zu erzeugen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Zum einen kann eine Feder verwendet werden, die wesentlich leichter als eine Ventilfeder
nicht zwangsgesteuerter Ventile sein kann, und etwa der beschriebenen Ventilspielausgleichsfeder
entspricht, wodurch das Nockenfolgeelement auf das Umschließungselement drückt.
[0019] Im Sinne der angestrebten, einfachen Konstruktion und möglichst geringen Bauhöhe
liegt eine bevorzugte zweite Möglichkeit, gemäß der eine Zugkraft im Umschließungselement
in dessen Erstreckungsrichtung erzeugt oder eingeleitet und dort umgeleitet wird.
Um die Kraft umzuleiten, ist bevorzugt vorgesehen, daß das Umschließungselement an
der Verbindungsstelle mit dem Nockenfolgeelement eine nach innen zum Nockenelement
vorstehende Erhebung aufweist. Die nach innen vorstehende Erhebung liegt in den beiden
konvexen Umfangsbereichen des Nockenelementes an, sodaß das Umschließungselement an
der Verbindungsstelle des Nockenfolgeelementes einen nach außen gerichteten Vorsprung
bildet. Die Zugkräfte im flexiblen Umschließungselement erzeugen dadurch eine Kraft
zur Umfangsfläche des Nockenelementes hin, die die nach innen gerichtete Erhebung
in den konkaven Übergangsbereich eintreten läßt, sobald er sich unter der Erhebung
vorbeidreht. Die Erhebung als Bestandteil des Umschließungselementes wird nun vom
Nockenbereich nach außen gedrückt, und bewirkt aufgrund des vergrößerten Nockenwinkels
mit steilerem Anstieg die größere Hubzunahme pro Nockenwinkeleinheit und die hohen
Beschleunigungswerte. Beschleunigungswerte von 80 bis 85 mm/rad
2 sind ohne weiteres erreichbar.
[0020] Die nach innen vorstehende Erhebung bietet Platz für einen Halter des Nockenfolgeelementes,
beispielsweise einen Lagerstift, eine Lagerbuchse od. dgl.. Natürlich kann der Halter
auch auf der Außenseite des Nockenfolgeelementes angeordnet werden, benötigt jedoch
dort zusätzlichen Platz.
[0021] Die nach innen gerichtete Erhebung kann weiters auch einen Druckverteilungspolster
umfassen, der einen annähernd dreieckigen Querschnitt aufweist, und insbesondere aus
einem verformbaren Material besteht. Der Druckverteilungspolster bewirkt eine Verringerung
der Flächenpressung auf die Nockenumfangsfläche. Er kann aus einem gummiartigen, geringfügig
elastischen Material sein, er kann aber auch mit einer Flüssigkeit oder einem Gel
gefüllt sein, um sich an die wechselnden Hohlraumquerschnitte anzupassen. Der Druckverteilungspolster
bewirkt auch eine Geräuschdämpfung.
[0022] Ein weiterer Vorteil der nach innen gerichteten Erhebung an der Verbindungsstelle
liegt darin, daß der Krafteinleitungswinkel besser wird: Liegt das Umschließungselement
am Nocken an, so wird die Schlaufe bei Zugkräften (z.B. Schließkrafterzeugung und
dem Verzögern des Ventils im oberen Umkehrpunkt) stark beansprucht, weil der Kosinuswert
eines kleinen Winkels größer ist. Durch den Abstand wird der Winkel nun größer, womit
die Zugkräfte in der Schlaufe besser eingeleitet werden. Kleinere Umschlingungsradien,
d.h. kleinere Grundkreisdurchmesser und kleinere Nockenkopfradien minimieren die Kräfte
zusätzlich.
[0023] Generell gilt, daß die beim Öffnen und Schließen des Ventils auftretenden Massenkräfte
immer versuchen, das Umschließungselement in den konkaven Übergangsbereich hinein
zu drücken. Diese Massenkräfte treten naturgemäß nur bei laufendem Motor auf, und
sind drehzahlabhängig. Ab einer Motordrehzahl von etwa 2000 Umdrehungen pro Minute
reichen die Massenkräfte bereits aus, die nötigen Zugkräfte in das Umschließungselement
einzuleiten, sodaß ab dieser Drehzahl die hohen Beschleunigungswerte für die Ventilöffnung
erreicht werden (die die benötigten Massenkräfte erzeugen). Bei niedereren Drehzahlen,
vor allem im Leerlauf des Motors sind die Massenkräfte zu gering, um das Umschließungselement
in den konkaven Übergangsbereich zu drücken. Dies kann die Verwendbarkeit der Brennkraftmaschine
vor allem dann beeinträchtigen, wenn bereits im niederen Drehzahlbereich hohe Anforderungen
an das Drehmoment und den Treibstoffverbrauch gestellt werden, wie das bei modernen
Verbrennungskraftmaschinen für Personenkraftwagen der Fall ist. Es ist daher bevorzugt
vorgesehen, daß das Umschließungselement auf Kontraktion vorgespannt ist. Auf diese
Weise verkürzt sich die Länge des Umschließungselementes, sobald der Ausweichraum
des konkaven Übergangsbereiches für die nach innen gerichtete Erhebung erreicht ist.
Die Vorspannung kann gering sein, da die Verkürzung bei üblichen Nockenformen bei
etwa einem halben Prozent der Länge des Umschließungselementes liegt, sodaß die Materialbeanspruchungen
eher klein sind. Die Vorspannung kann aber auch deshalb gering sein, da ja nur der
Anfangsbereich bis zu etwa 2000 Umdrehungen pro Minute abgedeckt werden muß, und im
Anschluß daran ausreichende Massenkräfte vorhanden sind.
[0024] Eine erste Ausführung des Umschließungselementes sieht daher zumindest einen elastisch
dehnbaren Bereich vor. Bevorzugt ist das Umschließungselement zumindest zweischichtig
ausgebildet, wobei eine der beiden Schichten aus einem elastisch dehnbaren Material
gebildet ist, dessen E-Modul bis zu 4000 N/mm
2 beträgt. Bevorzugt liegt der E-Modul zwischen 800 und 1200 N/mm
2. Ein derartiges Umschließungselement besteht insbesondere aus zumindest zwei untereinander
verbundenen Schlaufen, wobei die zweite Schlaufe sich in Umfangsrichtung des Nockenelementes
erstreckende Fäden aus hochzugfesten Fasern, beispielsweise aus Kevlar-, Glas-, Kohle-,
Hochmodulpolyethylen-, Polyester-, Bor-, Aramidfasern oder ähnlichen, im wesentlichen
längenkonstante Fasern bzw. Kombinationen dieser Fasern aufweist, und als Dehnungsbegrenzung
dient.
[0025] Eine einfache Herstellung der zugefesten Schicht ergibt sich, wenn die hochzugfesten
Fasern in einem nahtlos geschlossenen Flächenmaterial angeordnet sind, das in einer
textilen Rundarbeitstechnik hergestellt ist (Rundstricken, Rundweben, Rundwirken od.
dgl.).
[0026] Bevorzugt weist das Umschließungselement eine Gleitschicht auf, die als innere dritte
Schlaufe aus einem reibungsarmen Material oder durch eine Beschichtung, beispielsweise
Bedampfung der inneren Schicht ausgebildet sein kann.
[0027] Besteht das das Nockenelement und/oder das Umschließungselement aus einem Material
mit einer reibungsarmen oder reibungsarm beschichteten Oberfläche, beispielsweise
Polytetrafluoräthylen (PTFE), einem aufgedämpften Hartstoff, einem Silikon, Molybdänsulfid
od. dgl., so ist gegebenenfalls eine Schmierung der Gleitflächen, also der Umfangsfläche
des Nockenelementes und der anliegenden Innenfläche des Umschließungselementes nicht
notwendig. Wird eine Schmierung gewünscht oder erforderlich, so ist bevorzugt vorgesehen,
daß das Nockenelement radial zur Drehachse mindestens eine Ölbohrung aufweist, die
am Umfang des Nockenelementes innerhalb des flexiblen Umschließungselementes mündet.
Da das Umschließungselement sich nicht verdreht, ist auch eine äußere Ölzufuhr durch
das Umschließungselement über eine flexible Leitung denkbar.
[0028] Anstelle eines Ölgleitfilms kann auch eine berührungslose Anordnung des Umschließungselementes
vorgesehen werden, wenn beispielsweise eine magnetisierte innere Gleitschicht ausgebildet
wird, die sich von einer gleichpolig magnetisierten Außenschicht des Nockenelementes
abstößt.
[0029] Die zu beschleunigenden Massen sind im erfindungsgemäßen Ventiltrieb wesentlich reduziert.
Der Einsatz von Leichtmetallen, Keramiken oder Kunststoff für das Ventil und/oder
das Nockenfolgeelement erlauben eine Reduktion der zu beschleunigenden und verzögernden
Massen von 50 % bis 80 % des Wertes eines Ventilstößels mit Rückstellfeder und hydraulischem
Spielausgleich. Das Ventil kann kürzer ausgeführt und Bauraum eingespart werden.
[0030] 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.
[0031] Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise für Rennmotoren von Motorsportfahrzeugen
sind weder der Kraftstoffverbrauch noch Drehmoment und Leistung im niederen Drehzahlbereich
von besonderer Bedeutung. In diesen Fällen genügt die aus den Massenkräften ab einer
Drehzahl von etwa 2000 Umdrehungen pro Minute völlig, um die hohen Beschleunigungswerte
zu erzielen. Das Umschließungselement ist in dieser Ausführung ein- oder zweischichtig,
d.h. es weist eine Schlaufe aus den hochzugfesten Fasern bzw. Gewebe auf, das an der
Innenseite mit der Gleitschicht bedampft oder mit einer eigenen Schlaufe aus reibungsarmem
Material versehen ist. Die Länge des Umschließungselementes entspricht der Umfangslänge
des Nockenelementes, wobei die Erhebung etwa dem Übermaß im Vergleich zur Umschließungslänge
entspricht, sodaß das Umschließungselement ein Grundkreisbereich und am Nockenbereich
mit höchstens geringem Spiel lose anliegend das Nockenelement umgibt. Beim Eintreten
der Erhebung in den konkaven Übergangsbereich wird das Umschließungselement zu lang
und "schlottert" kurzzeitig bis der erste Abschnitt des Hubs das Übermaß ausgeglichen
hat.
[0032] Bei Drehzahlen unter 2000 Umdrehungen wird das Umschließungselement etwas später
geöffnet als bei höheren Drehzahlen, sodaß dies eine Art einer drehzahlabhängigen
variablen Ventilsteuerung für den Anfangsbereich darstellt.
[0033] Für die Schließphase kann der Übergang vom konvexen Nockenbereich in den konvexen
Grundkreisbereich in üblicher Weise direkt ausgebildet sein oder auch einen geradlinigen
Tangentialabschnitt einschließen, d.h. es muß hier kein konkaver Übergangsbereich
vorgesehen sein. Wenn aber ebenfalls ein konkaver Übergangsbereich ausgebildet ist,
so wird durch die Verlängerung des Nockenbereiches die Schließbeschleunigung erhöht,
bis die nach innen gerichtete Erhebung des Umschließungselementes in den konkaven
Übergangsbereich eintritt. Der schärfere Übergang in den Grundkreisbereich bewirkt
ein sicheres Schließen des Ventils, da die zum Nockenelement gerichtete Kraft verstärkt
ist. Wenn ausschließlich die Massenkräfte das Umschließungselement beeinflussen, so
ist in der Schließstellung nach einer kurzen Beruhigungsphase das Umschließungselement
ohne äußere Beaufschlagung. Hier hilft der Verdichtungs- und Explosionsdruck im Zylinder,
den Ventilteller dicht am Sitz zu halten.
[0034] Nachstehend wird nun die Erfindung an Hand der Figuren der beiliegenden Zeichnungen
näher beschrieben, ohne darauf beschränkt zu sein.
[0035] Es zeigen:
Fig. 1 einen Ventiltrieb in Schließstellung des Ventils mit einer ersten Ausführung
eines Nockenelementes,
Fig. 2 den Ventiltrieb zu Beginn der Öffnungsphase, geringfügig geöffnet,
Fig. 3 den Ventiltrieb kurz nach Beginn der Öffnungsphase, schon etwa zwei Drittel
geöffnet,
Fig. 4 den Ventiltrieb bei maximaler Ventilöffnung, noch vor der Mittelstellung,
Fig. 5 vergrößert im Schnitt den Bereich A der Fig. 1,
Fig. 6 eine Explosionsdarstellung der einzelnen Bestandteile des Ventiltriebs mit
einer zweiten Ausführung eines Nockenelementes,
Fig. 7 ein Schaubild zur Beschleunigung und Verzögerung des Ventils,
Fig. 8 die Kräfteverhältnisse im Nocken- oder Grundkreisbereich in einer Zugkräften
unterliegenden bevorzugten Ausführung eines Umschließungselements, und
Fig. 9 die Kraftverhältnisse im konkaven Übergangsbereich.
[0036] Der Ventiltrieb umfaßt ein auf einer Trägerwelle 1 befestigtes Nockenelement 2, das
einen Grundkreisbereich 71, einen Nockenbereich 72 und einen konkaven Übergangsbereich
73 aufweist. Der Krümmungsmittelpunkt des Grundkreisbereichs 71 und der Krümmungspunkt
des zentralen Teiles 76 des Nockenbereiches 72 liegen jeweils in der Achse 8 der Trägerwelle
1. Das Nockenelement 2 wird um die Achse 8 angetrieben und läuft innerhalb eines flexiblen
Umschließungselementes 4 um, das über eine Verbindungsstelle 12 mit einem Nockenfolgeelement
10 verbunden ist, das, wie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, ein Ventilschaft 11 eines
Stößelventiles ist, dessen Ventilteller 69 mit einem Ventilsitz 70 zusammenwirkt.
[0037] In der Schließstellung des Ventils gemäß Fig. 1 liegt der Ventilteller 69 dichtend
im Ventilsitz 70. Wird das Nockenelement 2 in Richtung des Pfeiles B in die Stellung
nach Fig. 2 verdreht, so gleitet die Verbindungsstelle 12 entlang des Grundkreisbereiches
71 und erreicht den konkaven Übergangsbereich 73. Während dieser Teildrehung bleibt
der Ventilteller 69 im Ventilsitz, da kein Hub stattfindet und der Ventilschaft 11
nicht verschoben wird. Bei der Weiterdrehung in die Position nach Fig. 3 gleitet die
Verbindungsstelle 12 über den Übergangsbereich 73 in den Nockenbereich 71, wobei durch
die konkave Krümmung eine relativ rasche Lösung des Ventiltellers 69 aus dem Ventilsitz
70 erreicht wird. Die Fig. 3 zeigt jene Position der Verbindungsstelle 12, an der
der Wechsel von der Ventilbeschleunigung in die Ventilverzögerung erfolgt, d.h., daß
ab dieser Position bei der Weiterdrehung die Öffnungsbewegung abgebremst wird. In
Fig. 4 ist die Position der Verbindungsstelle 12 am Anfang des zentralen Bereiches
76 gezeigt, in der die Ventilöffnungsbewegung beendet und die maximale Offenstellung
gegeben ist. Entlang des zentralen Teiles 76 ergibt sich kein weiterer Hub, ähnlich
wie im Grundkreisbereich 71. Bei der Weiterdrehung des Nockenelementes 2 in die Position
nach Fig. 1 ist der Ablauf umgekehrt, d.h. am Ende des zentralen Teiles 76 beginnt
die Schließbeschleunigung, die in der gespiegelten Position zur Fig. 3 in die Schließverzögerung
wechselt. Fig. 7 zeigt ein Schaubild, in dem die Größe und die Richtung der auf das
Umschließungselement 4 einwirkenden Kräfte durch Pfeile eingezeichnet sind.
[0038] Das Umschließungselement 4 kann sich, da es über die Verbindungsstelle 12 gelenkig
mit dem Ventilschaft 11 verbunden ist, nicht mit dem Nockenelement 2 mitdrehen, sondern
wird nur fortlaufend pulsierend verformt. Es weist in der in Fig. 5 ausschnittsweise
dargestellten, bevorzugten Ausführung eine mehrschichtige geschlossene Schlaufe auf,
die eine innere Gleitschicht 22 aus einem reibungsmindernden Material (PTFE, Silikon,
MoS
2 od. dgl.), eine mittlere Schicht 67 aus einem elastisch dehnbaren Material, und eine
äußere Schicht 66 aus einem zugfesten Material umfaßt.
[0039] Die Länge der mittleren Schicht 67 aus dem elastisch dehribaren, beispielsweise gummiartigen
Material entspricht in ungedehntem Zustand der Umschließungslänge des Nockenelementes
2, ist aber bevorzugt geringfügig kürzer. Das Material weist bevorzugt einen E-Modul
zwischen 600 und 2000 N/mm
2, insbesondere zwischen 800 und 1200 N/mm
2 auf.
[0040] Die äußere Schicht 66 aus dem zugfesten Material weist eine Länge auf, die sich aus
der in Fig. 3 gezeigten Position ergibt und daher größer als die Umschließungslänge
des Nockenelementes 2 ist. Die Länge entspricht dabei etwa der Umfangslänge des Nockenelementes
2 mit nur einem konkaven Übergangsbereich 73 für die Öffnungsphase, selbst wenn das
Nockenelement 2 einen zweiten konkaven Übergangsbereich in der Schließphase aufweist.
Die äußere Schicht 66 ist vorzugsweise ein in einer textilen Rundarbeitstechnik (Rundweben,
Rundstricken, Rundwirken od. dgl.) nahtlos hergestelltes Gewebeband, das als Längenbegrenzung
Kohle-, Kevlar-, Glas-, Bor-, Polyethylen-, Polyester-, Aramidfäden bzw. -fasern od.
dgl. enthält, da diese eine hohe Zugfestigkeit, Öl- und Temperaturbeständigkeit aufweisen.
Die dehnfesten Fäden können in Umfangsrichtung des Nockenelementes verlaufende Schußfäden
des Gewebebandes oder zusätzliche Fäden sein, die mit dem Gewebeband verbunden sind.
[0041] Die elastisch dehnbare Schicht 67 kann mit der zugfesten Schicht 66 verbunden, beispielsweise
verklebt sein. Das aus den beiden Schichten gebildete Umschließungselement 4 weist
somit zwei Umfangslängen auf, wobei die kleinere Umfangslänge der Länge der ungedehnten,
elastisch dehnbaren Schicht 67 und die größere Umfangslänge durch die Länge der zugfesten
äußeren Schicht 66 gegeben ist, die eine Dehnungsbegrenzung für die dehnbare Schicht
67 darstellt. Im ungedehnten Zustand sind daher die zugfesten Fäden in Zick-Zack,
gewellt od. dgl. Der Effekt der Dehnungsbegrenzung ist vor allem in der Position gemäß
Fig. 3 erforderlich, in der die Massenkräfte des maximal beschleunigten, und nunmehr
zu verzögernden Ventils aufgenommen werden müssen.
[0042] Das Umschließungselement 4 weist einen mit einer nach innen gerichteten Erhebung
74 versehenen Bereich auf, in dem die Verbindungsstelle 12 für die Anlenkung des Nockenfolgeelementes
10 vorgesehen ist, die in Fig. 5 vergrößert gezeigt ist. Die Verbindungsstelle 12
trägt einen Halter, beispielsweise eine Lagerbuchse 68, einen Lagerstift 14 (Fig.
6) od. dgl. für das Nockenfolgeelement, wobei die Verbindung mit dem Ventilschaft
11 od. dgl. nicht näher gezeigt ist. Beispielsweise kann das obere Ende des Ventilschafts
11 gegabelt sein und zwei Ösen aufweisen, die auf den beiden aus dem Umschließungselement
4 seitlich vorstehenden Enden des Lagerstifts 14 gelagert sind. Der Lagerstift kann
daher auch in die elastisch dehnbare Schicht eingebettet sein. Wird eine Lagerbuchse
68 vorgesehen, kann der Lagerstift auch zweiteilig ausgebildet und von beiden Seiten
in die Lagerbuchse 68 eingesteckt sein.
[0043] Die Erhebung 74 an der Innenseite der Verbindungsstelle 12 umfaßt eine Druckverteilungskonstruktion
oder -struktur, insbesondere einen Druckverteilungspolster 75, der eine etwa dreieckige
Querschnittsform aufweist. Als innerste Schicht ist die reibungsmindernde Schicht
22 oder Beschichtung vorgesehen. Durch die Beabstandung der zugfesten Schicht 66 vom
Grundkreisbereich 71 der Verbindungsstelle 12 werden die einzuleitenden Zugkräfte
besser verteilt. Der Druckverteilungspolster 75 kann aus einem gummiartigen, elastischen
Material sein, bevorzugt ist es aber mit Flüssigkeit oder einem Gel gefüllt, sodaß
es verformbar, aber unelastisch ist, und sich an unterschiedliche Hohlraumquerschnitte
besser anpaßt (Fig. 2, 3).
[0044] Die Erhebung 74 und die im Umschließungselement 4 generierten Zugkräfte, die auf
die Vorspannung der elastisch dehnbaren Schicht 67 und/oder die Ventilmassenkräfte
zurückgehen, führen gemäß Fig. 8 zu einer zum Nockenelement 2 gerichteten Kraft, solange
die Erhebung an einem konvexen oder ebenen Bereich des Nockenumfangs entlanggleitet.
Sobald der konkave Übergangsbereich 73 erreicht wird, drückt die zum Nockenelement
2 gerichtete Kraft die Erhebung in den entstehenden Hohlraum, sodaß sich das Umschließungselement
2 zusammenziehen kann (Fig. 9). Die für die Öffnung des Ventils maßgebliche innere
Berührungsfläche des Umschließungselementes 4 wirkt dadurch mit der Umfangsfläche
des Nockenbereiches 72 zusammen, obwohl die Schichten 66 und 67 den konkaven Übergangsbereich
73 mit Abstand eben überspannen.
1. Ventiltrieb, insbesondere für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, mit mindestens
einem angetriebenen Nockenelement (2), dessen Umfangsfläche einen konvexen Grundkreisbereich
und einen konvexen Nockenbereich aufweist, und mit einem vom Nockenelement (2) verschieb-
oder verschwenkbaren Nockenfolgeelement (10), insbesondere einem Ventilstößel, wobei
das Nockenelement (2) drehbar in einem flexiblen Umschließungselement (4) angeordnet
ist, das mit dem Nockenfolgeelement (10) beweglich verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Grundkreisbereich (71) und dem Nockenbereich (72) des Nockenelementes
(2) ein konkaver Übergangsbereich (73) vorgesehen ist, in den das Umschließungselement
(4) durch eine der Ventilöffnung entgegenwirkende Kraft eindrückbar ist.
2. Ventiltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkreisbereich (71) des Nockenelementes (2) und ein zentraler Teil (76) seines
Nockenbereiches (72) einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt aufweisen, der in der
Achse (8) des Nockenelementes (2) liegt.
3. Ventiltrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschließungselement (4) an der Verbindungsstelle (12) mit dem Nockenfolgeelement
(10) eine nach innen zum Nockenelement (2) vorstehende Erhebung (74) aufweist.
4. Ventiltrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der nach innen gerichteten Erhebung (74) des Umschließungselements (4) ein Lagerstift
(14) für das Nockenfolgeelement (10) angeordnet ist.
5. Ventiltrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nach innen gerichtete Erhebung (74) des Umschließungselements (4) einen Druckverteilungspolster
(75) umfaßt.
6. Ventiltrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverteilungspolster (75) aus einem verformbaren Material besteht.
7. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschließungselement (4) auf Kontraktion vorgespannt ist.
8. Ventiltrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschließungselement (4) aus zumindest zwei unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt
ist, von denen ein Material elastisch dehnbar ist.
9. Ventiltrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschließungselement (4) zumindest zweischichtig ist, und das elastisch dehnbare
Material die Außenschicht bildet.
10. Ventiltrieb nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elastisch dehnbare Bereich aus einem Material mit einem E-Modul zwischen 1 und
4000 N/mm2 gebildet ist.
11. Ventiltrieb nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der E-Modul zwischen 600 und 2000 N/mm2, insbesondere zwischen 800 und 1200 N/mm2 liegt.
12. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschließungselement (4) sich in Umfangsrichtung des Nockenelementes (2) erstreckenden
Fäden aus hochzugfesten Fasern aufweist.
13. Ventiltrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die hochzugfesten Fasern in einem nahtlos geschlossenen Flächenmaterial angeordnet
sind, das in einer textilen Rundarbeitstechnik hergestellt ist.
14. Ventiltrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschließungselement(4) eine innere Gleitschicht (22) aufweist.