DE19832382C2 - Koppelgetriebe für eine variable Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Koppelgetriebe für eine variable Ventilsteuerung von Brennkraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Koppelgetriebe für variable Ventilsteuerungen von Brennkraft­ maschinen sind als vierrädrige Koppelgetriebe seit langem be­ kannt, in einer neueren, der vorstehend angesprochenen Art ent­ sprechenden Ausgestaltung unter anderem aus der DE 195 21 004 A1.

In Verbindung mit der Anordnung der Ventile und der sie be­ aufschlagenden Steuerungselemente einschließlich zugehöriger Nockenwellen im Zylinderkopf ergeben sich für die Ventil­ steuerung insbesondere bei variabler Ausgestaltung derselben verhältnismäßig komplizierte Antriebswege, die im Hinblick auf Erschütterungen der Brennkraftmaschine und in Verbindung mit im Betrieb der Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen nicht unkritisch sind, insbesondere, wenn im Antriebsweg der Nocken­ wellen im Hinblick auf die variable Ventilsteuerung zusätzlich mehrrädrige, verstellbare Koppelgetriebe angeordnet sind, zumal die Antriebswege und die Zuordnung einzelner in diesen An­ triebswegen liegender Elemente zu verschiedenen Teilen der Brennkraftmaschine auch zu entsprechenden Toleranzen führt, zu­ mal die erforderlichen hohen Verstellgeschwindigkeiten auch ho­ he Verstellwege bedingen.

Entsprechend kritisch und schwierig ist es, unter den gegebenen Randbedingungen eine feinfühlige, schnelle und spielfreie Ver­ stellung der Nockenwellen in ihrer Phasenlage zueinander über das Koppelgetriebe und den diesem zugeordneten Stellantrieb si­ cherzustellen, der bei der bekannten Lösung durch eine Schnecke gebildet ist, die den Abtrieb eines dem Stellantrieb zugehöri­ gen Stellmotores bildet und die mit einem Schneckenrad kämmt, über das die Antriebsverbindung zu einer der Koppeln des zu verstellenden Koppelgetriebes läuft. Diese Antriebsverbindung möglichst spielfrei zu halten bedingt entsprechend aufwendige Lagerführungen und vor allem auch eine entsprechende Tolerie­ rung der zugehörigen Bauteile der Brennkraftmaschine im Ver­ hältnis zueinander, obwohl eine solche im Hinblick auf die son­ stigen Gegebenheiten der Brennkraftmaschine fallbezogen gegebe­ nenfalls entbehrlich wäre. Zusätzliche Toleranzprobleme ergeben sich dabei auch noch dadurch, daß das Koppelgetriebe selbst mehrteilig aufgebaut ist und seinerseits wiederum in entspre­ chenden Teilen der Brennkraftmaschine zu halten bzw. zu lagern ist, so daß sich insgesamt vielstufige Toleranzketten ergeben können.

Aus der DE 29 30 266 A1 ist eine Nockenwellenanordnung für Brennkraftmaschinen mit einem Verstellgetriebe für zwei gegen­ einander verstellbare Nockenwellen bekannt, bei der die Nocken­ wellen koaxial zueinander in axialer Überdeckung liegen und je­ weils Nocken, oder Teilabschnitte von Nocken tragen, so daß insgesamt die Nocken gegeneinander verstellbar sind, oder die Teilabschnitte von Nocken derart, daß sie je nach Verstellage der Nockenwellen zueinander Nocken unterschiedlicher Breite bilden. Zur Verstellung der Nockenwellen dienen Spindel-Mutter- Kombinationen, deren Muttern quer zur Spindelachse verlaufende Führungsschlitze aufweisen, in die Führungszapfen eingreifen, welche auskragend an jeweils einem einer der Nockenwellen dreh­ fest zugeordneten Stellarme befestigt sind. Die Führungsschlit­ ze bilden Dreh-Schiebe-Führungen für die Führungszapfen, die in Linienberührung zu den Führungsschlitzen stehen und somit, um spielfrei zu laufen, außerordentlich eng toleriert sein müssen. Die Führungszapfen weisen zudem aufgrund der baulichen Gegeben­ heiten verhältnismäßig kleine Durchmesser auf, so daß sich für die durch Führungszapfen und Führungsschlitze gebildeten kombi­ nierten Dreh-Schiebe-Führungen sehr hohe Flächenbelastungen er­ geben, die bei den häufigen Stellvorgängen und den zu beherr­ schenden hohen Stellkräften, insbesondere auch aufgrund der überlagerten Schwingungsbelastungen eine hohe Verschleißanfäl­ ligkeit mit sich bringen und die Bildung von Rattermarken be­ günstigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Koppelgetriebe im Hinblick auf die vorstehend aufgezeigten Schwierigkeiten zu verbessern und zudem auch möglichst unempfindlich auszugestal­ ten.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung hat zur Folge, daß sich, ge­ gebenenfalls unter Rückgriff auf handelsübliche Bauteile hoher Präzision eine Getriebeverbindung schaffen läßt, die im Hin­ blick auf die erforderliche Grundeinstellung des Ventiltriebes eine einfache Justierung ermöglicht und bei der die Getriebe­ verbindung als solche durch die Verwendung einer Spindel- Mutter-Kombination ohne größeren Aufwand und unabhängig von den Toleranzen des Umfeldes im Rahmen der für solche Spindel- Mutter-Kombinationen erzielbaren, geringen Toleranzen gestaltet werden kann. Etwaige Toleranzen können in der Verbindung der Mutter zur Koppel praktisch ohne Auswirkungen auf die Verstell­ genauigkeit aufgenommen werden, wobei über eine solche Ver­ bindung auch eine gewisse Entkopplung im Hinblick auf Schwin­ gungen zwischen dem Stellantrieb und den Nockenwellen und dem von diesen getragenen Koppelgetriebe erreicht werden kann.

Die Mutter der erfindungsgemäßen Spindel-Mutter-Kombination kann als Gewindehülse ausgebildet sein, oder in Verbindung mit der Spindel als Kugelgewindetrieb oder Rollengewindetrieb, wo­ mit auf handelsübliche Elemente zurückgegriffen werden kann, die eine sehr hohe Präzision ermöglichen. Dies umso mehr, als durch den Einsatz in Brennkraftmaschinen für den Spindel- Mutter-Trieb durch Anschluß an die Motorschmierung auch eine Druckölschmierung im Gewinde möglich ist, die eine zusätzliche Dämpfung und Spielreduzierungen ermöglicht. Insbesondere ge­ statten solche Gewindetriebe auch sehr hohe Übersetzungsver­ hältnisse, damit eine feinstufige Einstellung und dies auf kleinem Raum bei sehr kleinem Spiel, womit alle Voraussetzungen für eine exakte Ventilhub- und Steuerzeitenverstellung über die zusammenwirkenden Nockenwellen, wie sie insbesondere im Leer­ lauf und Unter- und Teillastbereich notwendig ist, erreichbar ist.

Die Verbindung zwischen der Spindel als Abtrieb des Stellmoto­ res und der Koppel, also der Mutter des Spindel-Mutter-Triebes zur Koppel ist besonders einfach und genau über einen Rotati­ onskörper darzustellen, der mit quer zur Spindel verlaufender Drehachse in der Mutter gelagert ist und der einen in Richtung auf die Spindel verlaufenden Führungsschlitz für einen koppel­ seitig in die Führung eingreifenden Steg aufweist, welcher zwi­ schen den Armen der im Bereich der Mutter gegabelten Koppel zur Drehachse der Koppel parallel verlaufend angeordnet ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist die Spindel-Mutter- Kombination mit dem Koppelgetriebe derart verbunden, daß die anordnungsbedingt erforderlichen Dreh-Schiebe-Funktionen unter­ schiedlichen Bauteilen zugeordnet sind, nämlich einerseits dem Rotationskörper und andererseits dem Steg, womit sich geringe Flächenpressungen realisieren lassen und womit insbesondere in Verbindung mit den bei Brennkraftmaschinen günstigen Schmierge­ gebenheiten ein nahezu verschleißfreies Arbeiten möglich wird.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ferner wird die Erfindung nach­ folgend mit weiteren Details anhand der Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte, stark vereinfachte Schnittdar­ stellung eines Zylinderkopfbereiches einer Brenn­ kraftmaschine mit senkrecht zur Zeichenebene ver­ laufender Achse der Brennkraftmaschine bzw. derer Nockenwellen, und

Fig. 2 einen Detailausschnitt einer Spindel-Mutter-Kombi­ nation gemäß der Erfindung, ebenfalls vereinfacht, und von deren Anschluß an die Koppel.

Der in Fig. 1 insgesamt mit 1 bezeichnete Zylinderkopf ist eine schematisierte Querschnittsdarstellung im stirnseitigen Bereich, wobei sich die Darstellung auf eine Brennkraft­ maschine in V-Anordnung bezieht und der dargestellte Zy­ linderkopf 1 über dem angedeuteten Zylinderbereich 2 kopf­ seitig liegt. Der Zylinderkopf 1 umfaßt einen unteren Teil 3 mit der Lagerung für nicht weiter dargestellte Nockenwellen, deren Achsen mit 4 und 5 bezeichnet sind. Die Achsen 4 und 5 liegen in der Schnittebene von unterem Zylinderkopfteil 3 zu oberem Zylinderkopfteil 6. Die Nockenwellen, deren Achsen mit 4 und 5 bezeichnet sind, sind über ein Koppelgetriebe 7 an­ triebsverbunden, das vierrädrig ausgebildet ist und konzen­ trisch zu den Achsen 4 und 5 der Nockenwellen liegende An­ triebsräder 8 und 9 aufweist, die über Zwischenräder 10, von denen nur eines gezeigt ist, antriebsverbunden sind, wobei die Achsen der Zwischenräder 10 mit 11 und 12 bezeichnet sind.

Von den mit 13, 14 und 15 bezeichneten Koppeln des Koppelge­ triebes 7 wird über die Koppel 13, die um die Achse 4 ver­ schwenkbar ist, über einen in Gegenrichtung zur Koppel 15 liegenden Verlängerungsarm 16 die Verbindung zu einem Stell­ antrieb hergestellt, der insgesamt mit 17 bezeichnet ist und über dessen bei 18 angedeuteten Stellmotor die Spindel 19 an­ treibbar ist, auf der die Mutter 23 läuft, durch deren Ver­ stellung in Längsrichtung der Spindel 19 über den Verlänge­ rungsarm 16 der Koppel 13 das Koppelgetriebe 7 verschwenkbar ist. Die Verstellung des Koppelgetriebes 7 hat eine Verschie­ bung der mit den Antriebsrädern 8 und 9 drehfest verbundenen, über das Koppelgetriebe 7 drehzahlgleich angetriebenen Nockenwellen in ihrer Phasenlage zueinander zur Folge, und diese Veränderung der Phasenlage der Nockenwellen zueinander wird genutzt, über eine nicht gezeigte Übertragungsein­ richtung, die auf funktionsgleiche, nicht dargestellte Ven­ tile der Brennkraftmaschine wirkt, diese Ventile im Hinblick auf Steuerzeiten und Hub variabel anzusteuern. Derartige be­ kannte variable Ventilsteuerungen sind beispielsweise in der DE 42 44 550 A1 näher erläutert.

Die Spindel 19 ist über Lager 21 und 22 im oberen Zylinder­ kopfteil 6 geführt, und zwar bei Erstreckung in Querrichtung der Brennkraftmaschine und senkrecht zu den zur Längsachse der Brennkraftmaschine parallel liegenden Nockenwellen. Auf der schematisch angedeuteten Spindel 19 sitzt die Mutter 23, mit der der Verlängerungsarm 16 der Koppel 13 über eine in einer Nut der Mutter 23 laufende Achse 24 schwenkbar verbunden ist. Der Verlängerungsarm 16 ist mit der Koppel 13 um die Achse 4 schwenkbar. Die Achse 24 verläuft parallel zu den Achsen 4 und 5 der Nockenwellen und senkrecht zur Achse der Spindel 19. In Richtung auf die Spindelachse 19 ist die Achse 24 zudem verschieblich geführt, was in Fig. 1 durch den Doppelpfeil 25 angedeutet ist. Eine mögliche, im Rahmen der Erfindung vorteilhafte Ausgestaltung einer solchen Verbindung zwischen dem Verlängerungsarm 16 der Koppel 13 und einer Mutter 23 zeigt in einer Schnittdarstellung Fig. 2, wobei diese nur im Grundprinzip mit Fig. 1 übereinstimmt.

Mutter 23 und Spindel 19 sind im Rahmen der Erfindung so aus­ gebildet, daß sich eine hohe Übersetzung ergibt, wobei eine reibungsarme und spielfreie Führung hoher Präzision insbeson­ dere durch Kugelgewindetriebe oder auch Rollengewindetriebe erreichbar ist, die hier im weiteren nicht dargestellt sind, die aber gegebenenfalls auch als handelsübliche Bauteile er­ hältlich sind.

Im Hinblick auf die Erfindung weist eine bezüglich der Ver­ bindung zur Spindel 19 gegebenenfalls derartig ausgebildete Mutter 23 eine Verbindung zum Verlängerungsarm 16 der Koppel 13 auf, die eine Verschiebbarkeit in Richtung auf die Spindel 19 zuläßt und zudem quer zur Spindel 19 mit der Mutter 23 zu­ mindest schwenkbar verbunden ist.

Die Mutter 23 ist hierzu in Richtung auf das Koppelgetriebe 7 bzw. die Koppel 13 mit einem Ansatz 26 versehen, der eine Aufnahme 27 für einen Rotationskörper 28 bildet, welcher zu­ mindest um eine quer zur Spindel 19 verlaufende und zu den Achsen 4 und 5 der Nockenwellen parallele Achse 29 schwenkbar ist. Dieser Rotationskörper 28 ist im dargestellten Aus­ führungsbeispiel zylindrisch gestaltet, also beispielsweise durch einen Zapfen gebildet, kann im Rahmen der Erfindung aber auch als Kugel ausgeführt sein, die in entsprechender, hier nicht dargestellter Weise in einer kugeligen Aufnahme des Ansatzes untergebracht ist. Der Rotationskörper 28 weist eine zu seiner Schwenkachse 29 symmetrische Nut 30 auf, die eine Schlitzführung für einen Steg des Verlängerungsarmes 16 bildet, der sich bei zumindest im Anschlußbereich an die Mutter 23 gegabelter Ausführung der Koppel 13 bzw. des Ver­ längerungsarmes 16 - beispielsweise ist geeignet ein U-för­ miger Querschnitt der Koppel 13 bzw. des Verlängerungsarmes 16 - parallel zu den Achsen 4 bzw. 5 der Nockenwellen erstreckt und in der eine Schlitzführung bildenden Nut 30 liegt. Durch diese Verbindung des Verlängerungsarmes 16 zur Mutter 23 ist eine verzwängungsfreie Führung gegeben, die durch die Verschiebbarkeit des Steges 31 in der Nut 30 in Richtung auf die Spindel 19 (Doppelpfeil 25 in Fig. 1) den Abgleich der im Rahmen der Verstellwege verhältnismäßig kleinen radialen Verlagerungen ermöglicht. Ist der Rotations­ körper sphärisch, beispielsweise als Kugel ausgebildet, so können auch gewisse Desachsierungsfehler noch ausgeglichen werden.

Ein Mitdrehen der Mutter 23 beim Antrieb der Spindel wird durch eine entsprechende Abstützung derselben gegenüber Tei­ len des Zylinderkopfes oder auch der Koppel verhindert, wobei die diesbezüglichen Maßnahmen hier nicht dargestellt sind.

Die geschilderte Verbindung des Koppelgetriebes 7 zum Stell­ antrieb 17 erbringt nicht nur, wie dargelegt, einen unemp­ findlichen, spielfreien Anschluß, sondern macht diesen auch toleranzunempfindlich und ist zudem geeignet, der Übertragung unerwünschter Schwingungen entgegenzuwirken, wobei dem auch dadurch vorgebeugt wird, daß die Tiefe der Nut 30 so bemessen ist, daß stirnseitig, wie in Fig. 2 erkennbar, ein gewisses Spiel zwischen dem Steg 31 und dem Grund der Nut 30, bevorzugterweise und zumindest im Regelfall, gegeben ist.

Im Rahmen der Erfindung sind selbstverständlich auch abge­ wandelte Ausgestaltungen der Verbindung zwischen Koppel 13 und Mutter 23 möglich, wenn auch die vorgeschilderte eine be­ vorzugte Ausgestaltung bildet. Insbesondere könnte er­ findungsgemäß auch ein Stegteil Verwendung finden, das sei­ nerseits über eine zu den Achsen 4, 5 der Nockenwellen para­ llele Achse schwenkbar in der Verlängerung 16 gelagert ist und das mit einem gegen die Spindel 19 auskragenden Ansatz in eine entsprechende, in der Mutter 23 vorgesehene Aufnahme hineinragt, die zumindest in Längsrichtung der Spindel 19 passend auf den Ansatz abgestimmt ist.

Claims (9)

1. Koppelgetriebe für eine variable Ventilsteuerung von Brenn­ kraftmaschinen, deren funktionsgleiche Ventile über zwei dreh­ zahlgleich angetriebene, zusammenwirkende Nockenwellen gemein­ sam beaufschlagbar sind, die über das insbesondere vierrädrig ausgebildete Koppelgetriebe antriebsverbunden sind und die in ihrer Phasenlage zueinander durch Verstellung des Koppelge­ triebes veränderbar sind, dem ein Stellantrieb zugeordnet ist, der einen Stellmotor mit einem Abtrieb aufweist, dessen Dreh­ achse winklig zu der Schwenkachse der Koppel des Koppelge­ triebes liegt, zu der der Abtrieb eine formschlüssig arbeitende Getriebeverbindung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Getriebeverbindung durch eine Spindel-Mutter- Kombination (19, 23) gebildet ist, bei der die Spindel (19) den Abtrieb des Stellantriebes (17) bildet und die über die Spin­ del-Mutter-Kombination (19, 23) beaufschlagte Koppel (13) zu­ mindest in Richtung auf die Spindel (19) verschiebbar und quer zur Spindel (19) schwenkbar mit der Mutter (23) verbunden ist, die in einem in Richtung auf die zugeordnete Koppel (13) vor­ springenden Ansatz (26) eine Lagerung mit quer zur Spindel (19) verlaufender Drehachse für einen Rotationskörper (28) bildet, der einen Führungsschlitz (30) für einen als Verbindungsstück zur Koppel (13) dienenden Steg (31) aufweist, welcher zwischen den Gabelarmen einer in Richtung auf die Spindel (19) sich er­ streckenden Verlängerung (16) der Koppel (13) liegt.

2. Koppelgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (28) zylindrisch ausgebildet ist.

3. Koppelgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper (28) als Zapfen oder Hülse ausgebildet ist.

4. Koppelgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper sphärisch ausgebildet ist.

5. Koppelgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskörper als Kugel ausgebildet ist.

6. Koppelgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (23) durch eine Gewindehülse gebildet ist.

7. Koppelgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel-Mutter-Kombination als Kugelgewindetrieb ausge­ bildet ist.

8. Koppelgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel-Mutter-Kombination als Rollengewindetrieb aus­ gebildet ist.

9. Koppelgetriebe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugel- bzw. Rollengewindetrieb mit Kugel- bzw. Rollen­ rückführung arbeitet.