Gebiet der Erfindung
[0001] Die Erfindung betrifft einen Schwinghebel für einen hubvariablen Ventiltrieb einer
Brennkraftmaschine. Der Schwinghebel weist stirnseitig eines ersten Endabschnitts
eine um eine Schwingachse verlaufende, konvex zylindrisch ausgebildete Abstützfläche,
in einem Mittelabschnitt eine Nockenanlauffläche und stirnseitig eines zweiten Endabschnitts
eine mit dem Schwinghebel starr verbundene Hubübertragungsfläche auf. Diese ist in
Schwingrichtung aus einem Leerhubbereich und einem sich an den Leerhubbereich anschließenden
Hubbereich zusammengesetzt und beaufschlagt mit dem Leerhubbereich und dem Hubbereich
eine Außenmantelfläche einer in einem Ventilhebel drehbar gelagerten Rolle mit einer
in Schwingrichtung veränderlichen Kontaktkraft.
Hintergrund der Erfindung
[0002] Ein derartiger Schwinghebel geht aus der als gattungsbildend betrachteten
DE 102 35 402 A1 hervor. Der dort vorgeschlagene Schwinghebel stützt sich als verstellbares Übertragungselement
des hubvariablen Ventiltriebs mit seinem ersten Endabschnitt an einer in der Brennkraftmaschine
ortsfest angeordneten kreisbogenförmigen Kulissenbahn ab und betätigt mit der am zweiten
Endabschnitt verlaufenden Hubübertragungsfläche einen Schlepphebel, der seinerseits
ein Gaswechselventil beaufschlagt. Dabei ist der Öffnungsverlauf des Gaswechselventils
vollvariabel einstellbar, indem die auf der Kulissenbahn mittels einer Verstelleinrichtung
in Form eines Exzenters verlagerbare Schwingachse der Abstützfläche zu einer Verschwenkung
des Schwinghebels um die Nockenanlauffläche führt, wobei lediglich der stufenlos einstellbare
Anteil des vom Hubbereich übertragenen Nockenhubs in einen Öffnungsverlauf des Gaswechselventils
umgesetzt wird. Demgegenüber wird der verbleibende Anteil des Nockenhubs durch die
ausschließlich quer zur Öffnungsrichtung des Gaswechselventils wirkende Leerhubkurve
neutralisiert, wobei zur Abstützung der in Schwingrichtung auftretenden Massenwirkung
des Schwinghebels eine von der Befederung des Gaswechselventils unabhängige Rückstellfeder
erforderlich ist. Aufgrund der rotatorischen Bewegung des Schwinghebels ist eine solche
Rückstellfeder in der Regel als eine auf Biegung beanspruchte Drehschenkel-Formfeder
ausgeführt, deren spezifisches Federarbeitsvermögen bekanntlich jedoch dasjenige einer
auf Torsion beanspruchten Schraubendruckfeder nicht erreicht. Die limitierte Federkraft
kann jedoch zu einer unvorteilhaften Drehzahlbegrenzung der Brennkraftmaschine zwingen,
um einen unzulässigen Kontaktverlust der Nockenanlauffläche vom Nocken während der
Leerhubphase des Schwinghebels sicher auszuschließen.
[0003] Wie es in der zitierten Druckschrift bereits auch vorgeschlagen ist, besteht eine
erste Abhilfemaßnahme zu dieser Problematik darin, den Schwinghebel in Blechbauweise
zur Reduzierung des um die Schwingachse wirksamen Massenträgheitsmoments und somit
der abzufedernden Massenwirkung leichtbauend auszubilden. Eine darüber hinaus gehende
Reduzierung des Massenträgheitsmoments wäre dann beispielsweise durch eine an die
ertragbaren Biegespannungen konsequent angepasste Formgebung des Schwinghebels mit
lokal unterschiedlichen Blechwandstärken oder durch die Verwendung extrem leichtbauender
Werkstoffe möglich. Jedoch sind der erzielbaren Massenreduzierung bei der ersten Möglichkeit
durch den Blechumformprozess und bei der zweiten Möglichkeit durch die beträchtlichen
Zusatzkosten der in Frage kommenden Leichtbauwerkstoffe enge Grenzen gesetzt.
Aufgabe der Erfindung
[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen geschilderten Nachteil zu
vermeiden und somit einen Schwinghebel zu schaffen, der ein möglichst geringes Massenträgheitsmoment
um die Schwingachse aufweist und als Großserienprodukt gleichzeitig kostengünstig
herstellbar ist.
Zusammenfassung der Erfindung
[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Hubübertragungsfläche
bei nivellierten Kontaktpressungen zwischen der Hubübertragungsfläche und der Außenmantelfläche
der Rolle eine entlang der Schwingrichtung veränderliche Breite aufweist derart, dass
die maximale Breite des Hubbereichs größer oder gleich der maximalen Breite des Leerhubbereichs
und deutlich größer als die minimale Breite des Leerhubbereichs ausgebildet ist. Die
Ausbildung der Hubübertragungsfläche des erfindungsgemäßen Schwinghebels basiert auf
der Kombination zweier Überlegungen. Zum einen ist die Breite der Hubübertragungsfläche
so zu dimensionieren, dass die für die gegebene Werkstoffpaarung zulässigen Kontaktpressungen
nicht überschritten werden. Die hierfür maßgeblichen Maximalpressungen treten jedoch
nur in der positiven Beschleunigungsphase des Hubbereichs mit vergleichsweise kurzer
Längserstreckung in Schwingrichtung des Schwinghebels auf. Folglich sind Hubübertragungsflächen
mit konstanter Breite, wie sie bei im Stand der Technik bekannten Schwinghebeln ausgeführt
sind, insbesondere im kontaktkraftarmen Leerhubbereich hinsichtlich der zu ertragenden
Kontaktpressungen überdimensioniert. Die in Schwingrichtung veränderliche Breite der
Hubübertragungsfläche führt dann lediglich zu einer Nivellierung und nicht zu einer
Erhöhung der Kontaktpressungen, während die damit verbundene Materialeinsparung im
Bereich der Hubübertragungsfläche gemäß der zweiten Überlegung eine signifikante und
mit einfachen Mitteln erzielbare Reduzierung des Massenträgheitsmoments des Schwinghebels
ermöglicht. Dies resultiert gemäß dem Satz von Steiner daraus, dass die von der Schwingachse
weit beabstandete Masse der Hubübertragungsfläche -wobei die Masse im hier vorliegenden
Fall negativ anzusetzen ist- einen mit diesem Abstand quadratischen Beitrag zum Trägheitsmoment
des Schwinghebels um die Schwingachse leistet. Zusammengefasst lässt sich also die
für die erforderliche Kraft der zusätzlichen Rückstellfeder maßgebliche Massenwirkung
des Schwinghebels mit einfachen Mitteln und ohne Erhöhung von dessen mechanischer
Werkstoffbeanspruchung im Kontaktbereich zur Rolle des Ventilhebels reduzieren.
[0006] Aus den gleichen Gründen kann das Potenzial zur Reduzierung des Massenträgheitsmoments
in Weiterbildung der Erfindung zusätzlich dadurch ausgeschöpft werden, dass ebenfalls
die maximale Breite des Hubbereichs deutlich größer als die minimale Breite des Hubbereichs
ausgebildet ist. Außerdem kann es vorgesehen sein, dass die maximale Breite der Hubübertragungsfläche
kleiner oder gleich der Breite der Außenmantelfläche der Rolle ist. Hierdurch wird
dem Umstand Rechnung getragen, dass Abschnitte einer Hubübertragungsfläche, welche
die Außenmantelfläche der Rolle axial überragen würden, nicht an der Kraftübertragung
zwischen dem Schwinghebel und dem Ventilhebel teilnehmen, sondern lediglich die Masse
des Schwinghebels im Bereich der Hubübertragungsfläche erhöhen.
[0007] In weiterer Fortbildung der Erfindung soll der Schwinghebel einen einteilig aus Blechwerkstoff
umgeformten Hebelkörper mit zwei Seitenwänden aufweisen, die zwischen dem ersten Endabschnitt
und dem Mittelabschnitt im wesentlichen parallel beabstandet verlaufen und vom Mittelabschnitt
ausgehend in Richtung des zweiten Endabschnitts vorzugsweise konisch aufeinander zulaufen
und am zweiten Endabschnitt durch eine die Hubübertragungsfläche bildende Stirnwand
miteinander verbunden sind. Dabei soll die Hubübertragungsfläche in ebener Projektion
eine tonnenähnlich ausgebauchte Form aufweisen, und die Außenseiten der Seitenwände
sollen bündig mit der Stirnwand abschließen. Der so ausgebildete Schwinghebel knüpft
an den im zitierten Stand der Technik vorgeschlagenen Blechhebel an, wobei jedoch
die Stirnwand nicht über die Außenseiten der Seitenwände überstehend, sondern zugunsten
einer weiterhin reduzierten Massenwirkung bündig mit diesen abschließend ausgebildet
ist. Außerdem verleihen die sich an die ausgebauchte Stirnwand anschmiegenden Seitenwände
dem Schwinghebel eine hohe und kerbstellenarme Gestaltfestigkeit.
[0008] Obwohl die Abstützfläche und die Nockenanlauffläche zugunsten eines weiter reduzierten
Massenträgheitsmoments des Schwinghebels auch als massenarme Gleitflächen ausgebildet
sein können, sollen diese zugunsten einer niedrigen Ventiltriebsreibung schließlich
als auf Rollenbolzen dreh- und wahlweise wälzgelagerte Rollen ausgebildet sein. Dabei
verlaufen die Rollenbolzen parallel beabstandet und sind in paarweise zueinander fluchtenden
Achsbohrungen der Seitenwände kraft- und/oder formschlüssig befestigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0009] Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und
aus den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt
ist. Es zeigen:
- Figur 1
- einen erfindungsgemäßen Schwinghebel in der Seitenansicht;
- Figur 2
- den Schwinghebel gemäß Figur 1 in der Draufsicht;
- Figur 3
- den zweiten Endabschnitt des Schwinghebels in vergrößerter Seitenansicht und
- Figur 4
- die Ansicht A auf den Schwinghebel gemäß Figur 3.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
[0010] In den Figuren 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Schwinghebel 1 für einen hubvariablen
Ventiltrieb zur drosselfreien Laststeuerung einer Brennkraftmaschine offenbart. Der
Schwinghebel 1 weist stirnseitig eines ersten Endabschnitts 2 eine auf einem Rollenbolzen
3 drehbar gelagerte Rolle 4 auf, die als Abstützfläche 5 gegenüber einer hier nicht
dargestellten, in der Brennkraftmaschine kreisbogenförmig verlaufenden Kulissenbahn
und gleichzeitig als Abgriffsfläche für einen ebenfalls nicht dargestellten Exzenter
einer Verstelleinrichtung dient. Durch den Exzenter wird die Position einer mit der
Bolzenachse identischen Schwingachse 6 auf der Kulissenbahn zur Variation des Ventilhubs
festgelegt. In einem Mittelabschnitt 7 des Schwinghebels 1 verläuft eine ebenfalls
als auf einem Rollenbolzen 8 drehbar gelagerte Rolle 9 ausgebildete Nockenanlauffläche
10, über die der Schwinghebel 1 von einem Nocken einer hier nicht dargestellten Nockenwelle
der Brennkraftmaschine in Schwingrichtung x beaufschlagt ist.
[0011] Wie in Figur 2 deutlich erkennbar ist, sind die parallel beabstandeten Rollenbolzen
3 und 8 in paarweise zueinander fluchtenden Achsbohrungen 11 in Seitenwänden 12 eines
einteilig aus Blechwerkstoff umgeformten Hebelkörpers 13 des Schwinghebels 1 befestigt.
Diese Befestigung erfolgt vorzugsweise mittels eines bekannten, einen Form- und/oder
Kraftschluss zwischen den Rollenbolzen 3 und 8 und den Seitenwänden 12 erzeugenden
Verstemmprozesses der Bolzenenden. Die Seitenwände 12 sind zwischen dem ersten Endabschnitt
2 und dem Mittelabschnitt 7 parallel beabstandet und laufen in Richtung eines zweiten
Endabschnitts 14, an dem sie durch eine bündig mit den Seitenwänden 12 abschließende
Stirnwand 15 miteinander verbunden sind, konisch aufeinander zu.
[0012] Auf der Außenseite der Stirnwand 15 verläuft eine Hubübertragungsfläche 16 für einen
Ventilhebel 17, der als auf einem hier nicht dargestellten Abstützelement gelagerter
und ein Gaswechselventil der Brennkraftmaschine hubvariabel betätigender Rollenschlepphebel
ausgebildet ist. Gemäß Figur 3 setzt sich die Hubübertragungsfläche 16 in Schwingrichtung
x aus einem Leerhubbereich 18 und einem sich an den Leerhubbereich 18 anschließenden
Hubbereich 19 zusammen, wobei das Gaswechselventil während der wirksamen Phase des
Leerhubbereichs 18 geschlossen und während der wirksamen Phase des Hubbereichs 19
geöffnet ist. Aufgrund der ventilseitigen Reaktionskräfte wird die Außenmantelfläche
20 der im Ventilhebel 17 drehbar gelagerten Rolle mit einer in Schwingrichtung x veränderlichen
Kontaktkraft F beaufschlagt.
[0013] Erfindungsgemäß kann das um die Schwingachse 6 wirksame Massenträgheitsmoment des
sich an einer nicht dargestellten Drehschenkelfeder in Schwingrichtung x abstützenden
Schwinghebels 1 durch Angleichung der Kontaktpressungen zwischen der Hubübertragungsfläche
16 und der Außenmantelfläche 20 der Rolle deutlich reduziert werden. Wie aus Figur
4 ersichtlich, erfolgt dies durch eine in Schwingrichtung x veränderliche Breite B
der Hubübertragungsfläche 16, die in diesem Ausführungsbeispiel eine in ebener Projektion
tonnenähnlich ausgebauchte Form aufweist, an die sich die Seitenwände 12 bündig anschließen.
Entsprechend ist die maximale Breite des Hubbereichs 19 sowohl deutlich größer als
dessen minimale Breite als auch deutlich größer als die minimale Breite des Leerhubbereichs
19 ausgebildet, so dass die Stirnwand 15 gegenüber im Stand der Technik bekannten
Ausführungen eine deutlich kleinere Stirnfläche und folglich eine kleinere Masse aufweist.
Durch diese Formgebung werden gleichzeitig die in Schwingrichtung x veränderlichen
Kontaktpressungen zwischen der Hubübertragungsfläche 16 und der Außenmantelfläche
20 der Rolle aneinander angeglichen, ohne die maximal auftretende Kontaktpressung
zu erhöhen, die in einer sich an den Leerhubbereich 18 unmittelbar anschließenden
Beschleunigungsphase des Hubbereichs 19 auftritt. Aus Figur 4 ist schließlich auch
ersichtlich, dass die Breite B der Hubübertragungsfläche 16 die Breite der gestrichelt
eingezeichneten Außenmantelfläche 20 der Rolle nicht übersteigt.
Liste der Bezugszahlen und -zeichen
[0014]
- 1
- Schwinghebel
- 2
- erster Endabschnitt
- 3
- Rollenbolzen
- 4
- Rolle
- 5
- Abstützfläche
- 6
- Schwingachse
- 7
- Mittelabschnitt
- 8
- Rollenbolzen
- 9
- Rolle
- 10
- Nockenanlauffläche
- 11
- Achsbohrung
- 12
- Seitenwand
- 13
- Hebelkörper
- 14
- zweiter Endabschnitt
- 15
- Stirnwand
- 16
- Hubübertragungsfläche
- 17
- Ventilhebel
- 18
- Leerhubbereich
- 19
- Hubbereich
- 20
- Außenmantelfläche der Rolle
- x
- Schwingrichtung
- B
- Breite der Hubübertragungsfläche
- F
- Kontaktkraft
1. Schwinghebel für einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, welcher
Schwinghebel (1) stirnseitig eines ersten Endabschnitts (2) eine um eine Schwingachse
(6) verlaufende, konvex zylindrisch ausgebildete Abstützfläche (5), in einem Mittelabschnitt
(7) eine Nockenanlauffläche (10) und stirnseitig eines zweiten Endabschnitts (14)
eine mit dem Schwinghebel (1) starr verbundene Hubübertragungsfläche (16) aufweist,
die in Schwingrichtung (x) aus einem Leerhubbereich (18) und einem sich an den Leerhubbereich
(18) anschließenden Hubbereich (19) zusammengesetzt ist und mit dem Leerhubbereich
(18) und dem Hubbereich (19) eine Außenmantelfläche (20) einer in einem Ventilhebel
(17) drehbar gelagerten Rolle mit einer in Schwingrichtung (x) veränderlichen Kontaktkraft
(F) beaufschlagt, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubübertragungsfläche (16) bei nivellierten Kontaktpressungen zwischen der Hubübertragungsfläche
(16) und der Außenmantelfläche (20) der Rolle eine entlang der Schwingrichtung (x)
veränderliche Breite (B) aufweist derart, dass die maximale Breite des Hubbereichs
(19) größer oder gleich der maximalen Breite des Leerhubbereichs (18) und deutlich
größer als die minimale Breite des Leerhubbereichs (18) ausgebildet ist.
2. Schwinghebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ebenfalls die maximale Breite des Hubbereichs (19) deutlich größer als die minimale
Breite des Hubbereichs (19) ausgebildet ist.
3. Schwinghebel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Breite der Hubübertragungsfläche (16) kleiner oder gleich der Breite
der Außenmantelfläche (20) der Rolle ist.
4. Schwinghebel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwinghebel (1) einen einteilig aus Blechwerkstoff umgeformten Hebelkörper (13)
mit zwei Seitenwänden (12) aufweist, die zwischen dem ersten Endabschnitt (2) und
dem Mittelabschnitt (7) im wesentlichen parallel beabstandet verlaufen und vom Mittelabschnitt
(7) ausgehend in Richtung des zweiten Endabschnitts (14) vorzugsweise konisch aufeinander
zulaufen und am zweiten Endabschnitt (14) durch eine die Hubübertragungsfläche (16)
bildende Stirnwand (15) miteinander verbunden sind, wobei die Hubübertragungsfläche
(16) in ebener Projektion eine tonnenähnlich ausgebauchte Form aufweist und die Außenseiten
der Seitenwände (12) bündig mit der Stirnwand (15) abschließen.
5. Schwinghebel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützfläche (5) und die Nockenanlauffläche (10) als auf Rollenbolzen (3, 8)
dreh- und wahlweise wälzgelagerte Rollen (4, 9) ausgebildet sind, welche Rollenbolzen
(3, 8) parallel beabstandet verlaufen und in paarweise zueinander fluchtenden Achsbohrungen
(11) der Seitenwände (12) kraft- und/oder formschlüssig befestigt sind.