DE10205216B4 - Betätigungsvorrichtung mit variablem Hub für ein oszilierendes Bauteil - Google Patents
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Abstract
Betätigungsvorrichtung
mit variablem Hub zum Antrieb eines oszillierenden Bauteils, wobei
das oszillierende Bauteil gegen die Betätigungsvorrichtung (1) vorgespannt
ist, mit einer Nockenwelle (13), mit einem drehbar gelagerten Betätigungshebel
(19), mit einem Schlepphebel (41), wobei der Betätigungshebel (19) von der Nockenwelle
(13) und der Schlepphebel (41) von dem Betätigungshebel (19) angetrieben
wird, und mit einem Stellglied (21) zum Ändern der relativen Lage von
Nockenwelle (13) und Betätigungshebel
(19), wobei der Drehpunkt (37) des Betätigungshebels (19) ortsfest
ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (21) einen keilförmigen Abschnitt
(23) aufweist, und dass durch Verschieben des zwischen Nockenwelle
(13) und Betätigungshebel
(19) angeordneten keilförmigen
Abschnitts (23) die relative Lage von Nockenwelle (13) und Betätigungshebel
(19) zueinander änderbar
ist, und dass das osillierende Bauteil ein Pumpenkolben (11) einer
Kolbenpumpe (3) ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung mit variablem Hub für einen Pumpenkolben einer Kolbenpumpe nach dem Oberbegriff das Anspruchs 1.
- Aus der
DE 199 13 742 A1 ist eine Betätigungseinrichtung bekannt, die dazu dient, den Hub der Einlassventile einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Brennkraftmaschine variabel einzustellen. Bei dieser Betätigungsvorrichtung wird der Betätigungshebel in einem Exzenter einer Exzenterwelle drehbar gelagert. Durch Verdrehen der Exzenterwelle werden der Drehpunkt und die relative Lage des Betätigungshebels zur Nockenwelle verändert. Aufgrund der dadurch geänderten Hebelverhältnisse ändert sich auch der Hub des von dieser Betätigungsvorrichtung betätigten Gaswechselventils. - Aus der
DE 29 51 361 A1 ist ein Ventiltrieb mit Hubverstellung bekannt, bei dem die Hubverstellung ebenfalls durch die Verstellung der wirksamen Hebellänge eines Zwischenhebels erfolgt. - Aus der
DE 26 29 554 A1 ist eine gattungsgemäße Betätigungseinrichtung bekannt, bei der zum Verstellen des Hubs eines Gaswechselventils die relative Lage von Nockenwelle und Betätigungshebel geändert werden muß. - Nachteilig an diesen Betätigungsvorrichtungen ist deren Komplexität und die erforderliche Präzision bei der Herstellung der Komponenten, was sich insgesamt in hohen Herstellungskosten niederschlägt.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Betätigungsvorrichtung mit variablem Hub für einen Pumpenkolben einer Kolbenpumpe bereitzustellen, welche einfach herzustellen ist und dessen Funktion durch das Auftreten von Fertigungstoleranzen nicht nennenswert beeinträchtigt wird.
- Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Betätigungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Vorteile der Erfindung
- Die erfindungsgemäße Betätigungsvorrichtung hat gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Betätigungsvorrichtung den Vorteil, dass die Fertigungstoleranzen von Nockenwelle, Stellglied, Betätigungshebel und Schlepphebel sich beim Betrieb der Betätigungsvorrichtung gegenseitig kaum beeinflussen, sondern weitestgehend voneinander unabhängig sind. In Folge dessen ist durch Einstellen des Stellglieds, bzw. einer entsprechenden Kompensation beim Ansteuern des Stellglieds, die Funktion der Betätigungseinrichtung unabhängig von den individuellen Toleranzen der Bauteile gewährleistet. Außerdem sind alle Bauteile von einfacher Geometrie, so dass sich die Herstellung einfach und kostengünstig realisieren lässt. Ein weiterer Vorteil ist darin zusehen, dass für Motoren unterschiedlicher Baugröße nur eine Nockenkontur mit einem Nockenhub notwendig ist und nicht wie bisher verschiedene Nockenkonturen hergestellt werden müssen.
- Weitere Varianten der Erfindung sehen vor, dass das Stellglied an einem Hubzapfen einer Kurbelwelle angelenkt ist und/oder dass durch Verdrehen der Kurbelwelle der keilförmige Abschnitt verschoben wird, so dass auf einfache Weise durch einen Stellmotor der Hub der Betätigungseinrichtung eingestellt werden kann. Selbstverständlich kann auch durch einen Linearantrieb, z. B. durch eine Gewindespindel, die gewünschte Verschiebung des Stellglieds realisiert werden. Die Wahl für einen geeigneten Antrieb des Stellglieds hängt u. a. von dem verfügbaren Bauraum, der geforderten Genauigkeit und den Kosten ab.
- Zur Verringerung der Reibungsverluste der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung ist außerdem vorgesehen, dass der Betätigungshebel und/oder der Schlepphebel eine Rolle aufweisen und dass die Relativbewegungen des Stellglieds auf den Betätigungshebel und/oder des Betätigungshebels auf dem Schlepphebel über die Rollen übertragen werden.
- In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist eine Abrollfläche des Betätigungshebels, über die der Schlepphebel angetrieben wird, einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, wobei die Abrollfläche im ersten Abschnitt konzentrisch zum Drehpunkt des Betätigungshebels verläuft, und der Abstand zwischen Abrollfläche und Drehpunkt des Betätigungshebels im zweiten Abschnitt mit zunehmendem Abstand vom ersten Abschnitt zunimmt, so dass – eine entsprechende Stellung des Stellglieds vorausgesetzt – der gewünschte Hub des oszillierenden Bauteils stufenlos zwischen einem Nullhub und dem maximalem Hub einstellbar ist.
- Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Abschnitt der Abrollfläche kreisförmig geformt. Dadurch ergibt sich ein günstiges Betriebsverhalten der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung.
- Um die Geräuschentwicklung der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung zu optimieren kann vorgesehen sein, dass der Betätigungshebel durch eine Druckfeder gegen das Stellglied gepresst wird. Durch den Wegfall des Mengensteuerventils an der angetriebenen Hochdruckpumpe wird zum einen ein Bauteil eingespart und zum anderen werden die hydraulischen Absteuerstöße in den Niederdruckteil erheblich reduziert. Dadurch wird die Geräuschentwicklung um etwa 50% reduziert. Durch die langsame Entspannung des Fluids im Hochdruckteil der Pumpe, bedingt durch die geringe Geschwindigkeit des Kolbens im Umkehrpunkt des Nockens werden hohe Druckpulsationen unterdrückt.
- Es kann weiter auch vorgesehen sein, dass das oszillierende Bauteil durch eine Druckfeder oder durch eine desmodromische Steuerung gegen die Betätigungseinrichtung vorgespannt wird.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
- Es zeigen:
-
1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung, -
2 einen vergrößert dargestellten Betätigungshebel und -
3 –6 verschiedene Darstellungen von Betriebszuständen des Ausführungsbeispiels gemäß1 . -
7 ein zweites Ausführungsbeispiels eines vergrößert dargestellten Betätigungshebels und -
8 und9 verschiedene Darstellungen von Betriebszuständen des zweiten Ausführungsbeispiels. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
- In
1 ist eine von einer erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung1 angetriebene Kolbenpumpe3 in einer Seitenansicht dargestellt. Die Kolbenpumpe3 weist einen Zulauf5 und einen Hochdruckanschluß7 auf. Die über den Zulauf angesaugte Flüssigkeit (nicht dargestellt) wird in einem nur andeutungsweise dargestellten Kolbenpumpenelement9 mit Druck beaufschlagt und zur Hochdruckseite7 gefördert. Das Pumpenelement9 weist einen Pumpenkolben11 auf, welcher über die Betätigungseinrichtung1 angetrieben wird. - Die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung
1 besteht aus einer drehbar gelagerten Nockenwelle13 mit zwei Nocken15 . Die Nockenwelle13 ist um ihre Drehachse17 drehbar, wie durch den Pfeil in1 angedeutet wird. - Zwischen einem Betätigungsglied
19 , das drehbar um einen Drehpunkt37 gelagert ist, und der Nockenwelle13 ist ein Stellglied21 angeordnet. Das Stellglied21 weist einen keilförmigen Abschnitt23 auf. Die durch die Nocken15 der sich drehenden Nockenwelle13 verursachten Steuerbewegungen der Nockenwelle13 werden über den keilförmigen Abschnitt23 des drehbar in einem Hubzapfen25 gelagerten Stellglieds21 auf den Betätigungshebel19 übertragen. Die Lagerung des Stellglieds21 im Hubzapfen25 ist in1 mit dem Bezugszeichen27 versehen. Der Hubzapfen25 kann durch eine Verstellwelle29 , die wiederum von einem nicht dargestellten Stellmotor oder dgl. betätigt wird, verdreht werden. - Je nach Stellung des Hubzapfens
25 wird das Stellglied21 , bzw. dessen keilförmiger Abschnitt23 , mehr oder weniger weit zwischen Nockenwelle13 und Betätigungshebel19 verschoben. Aus dieser Verschiebung ergibt sich, wie nachfolgend noch detailliert erläutert werden wird, der variable Hub der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung. - Der Betätigungshebel
19 wird durch eine erste Druckfeder31 , die sich gegen ein Gehäuse33 der Betätigungsvorrichtung1 abstützt, gegen das Stellglied21 gepresst. - Die Bewegung des Stellglieds
21 wird über eine Rolle35 , die drehbar im Betätigungshebel19 gelagert ist, auf diesen übertragen. Durch die Rolle35 wird die Reibung zwischen Stellglied21 und Betätigungshebel19 reduziert. Der Betätigungshebel19 hat an seinem, dem Drehpunkt37 im Gehäuse33 abgewandten Ende eine Abrollfläche39 , deren Kontur nachfolgend anhand der2 genauer erläutert werden wird. - Auf der Abrollfläche
39 liegt ein Schlepphebel41 mit einer Rolle43 auf. Der Schlepphebel41 ist an einem Ende drehbar auf einem Lagerbock45 gelagert. Mit seinem anderen Ende47 drückt der Schlepphebel41 gegen den Pumpenkolben11 . Der Pumpenkolben11 wird durch eine zweite Druckfeder49 gegen das Ende47 des Schlepphebels41 gepresst. Durch die erste Druckfeder31 und die zweite Druckfeder49 ist gewährleistet, dass von der Nockenwelle13 , über das Stellglied21 , den Betätigungshebel19 , den Schlepphebel41 bis zum Pumpenkolben11 stets eine spielfreie und kinematisch eindeutig bestimmte Zuordnung der genannten Bauteile zueinander vorhanden ist. - Anhand der
2 wird die Geometrie der Abrollfläche39 des Betätigungshebels19 detaillierter erläutert. Ein in2 mit I bezeichneter erster Abschnitt der Abrollfläche39 ist kreisförmig ausgebildet und hat einen Radius R1, dessen Ursprung mit dem Drehpunkt37 des Betätigungshebels19 zusammenfällt. Daran schließt sich ein zweiter Abschnitt II der Abrollfläche39 an, dessen Kontur ebenfalls kreisförmig ist, allerdings liegt der Ursprung des zugehörigen Radius' R2 deutlich oberhalb des Betätigungshebels19 in2 . Dies bedeutet, dass im ersten Abschnitt I der Abstand der Abrollfläche zum Drehpunkt37 konstant ist, während er im zweiten Abschnitt II mit zunehmendem Abstand vom ersten Abschnitt I zunimmt. - Nachfolgend wird anhand der
3 bis6 die Kinematik der Betätigungseinrichtung1 in Abhängigkeit der Stellung des Stellglieds21 beispielhaft erläutert. In den3 bis6 sind nicht alle in der1 bezeichneten Bauteile mit Bezugszeichen versehen, sondern nur diejenigen, welche für das Verständnis der erfindungsgemäßen Kinematik von Bedeutung sind. - In
3 ist der Hubzapfen25 so weit entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht worden, dass der keilförmige Abschnitt23 des Stellglieds21 zwischen Nockenwelle13 und Betätigungshebel19 sehr schmal ist. Dies bedeutet, dass der Betätigungshebel19 von der ersten Druckfeder31 um seinen Drehpunkt37 in3 nach rechts gedreht wird. Infolge dessen liegt die Rolle43 des Schlepphebels41 auf dem ersten Abschnitt I des Betätigungshebels19 auf. Der erste Abschnitt I ist in3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingetragen, es wird jedoch auf2 und das oben dazu Gesagte verwiesen. - Wenn sich nun, wie in
4 dargestellt, bei gleicher Stellung des Stellglieds21 die Nockenwelle13 um etwa 90° weiterdreht, so dass das Stellglied21 auf einem Nocken15 aufliegt, dann liegt die Rolle43 des Schlepphebels41 immer noch auf dem ersten Abschnitt I der Abrollfläche39 des Betätigungshebels19 auf. Da, wie anhand der2 erläutert, der erste Abschnitt I konzentrisch zum Drehpunkt37 des Betätigungshebels39 ausgebildet ist ergibt sich somit kein Hub des Pumpenkolbens11 , bei der in den3 und4 gezeigten Stellung des Stellglieds21 . Somit fördert die Kolbenpumpe3 bei dieser Stellung des Stellglieds21 nicht. - In
5 und6 ist die erfindungsgemäße Betätigungseinrichtung1 so dargestellt, dass der Hub des Pumpenkolbens11 maximal wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Hubzapfen25 im Uhrzeigersinn so weit gedreht wird, dass das dicke Ende des keilförmigen Abschnitts23 zwischen Nockenwelle13 und Betätigungshebel19 positioniert ist. Infolge dessen dreht sicht der Betätigungshebel19 nach links um seinen Drehpunkt37 . Dadurch verlagert sich der Berührpunkt zwischen Rolle43 des Schlepphebels41 und der Abrollfläche39 des Betätigungshebels19 (siehe1 und2 ) nach rechts in Richtung des zweiten Abschnitts II (siehe2 ). Wenn nun, wie in6 dargestellt, die Nockenwelle13 bei unveränderter Stellung des Stellglieds21 um 90° gedreht wird, so dass der Nocken15 auf dem Stellglied21 aufliegt, liegt die Rolle43 am äußersten Ende der Abrollfläche39 auf. Durch die Drehung der Nockenwelle13 um 90° (siehe5 und6 im Vergleich) bewegt sich der zweite Abschnitt II der Abrollfläche39 des Betätigungshebels19 unter der Rolle43 des Schlepphebels41 durch. Wegen der Geometrie des zweiten Abschnitts II (siehe2 ) wird dadurch der Schlepphebel41 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht und der Kolben11 in Richtung des Pfeils51 bewegt. Wenn die Nockenwelle13 um weitere 90° gedreht wird, stellt sich wieder die Situation gemäß5 ein, d.h. der Kolben11 hat sich wieder nach unten in seine Ausgangslage bewegt. - In der in
5 und6 dargestellten Stellung des Stellglieds21 ist der Hub des Kolbens11 maximal. Durch Zwischenstellungen zwischen den in3 und4 einerseits sowie den5 und6 andererseits gezeigten Positionen des Stellglieds21 kann jeder gewünschte Hub des Kolbens11 eingestellt werden. Die untere Grenze ist der Nullhub (siehe3 und4 ). Die obere Grenze ist der in den5 und6 dargestellte maximale Hub. - Selbstverständlich ist die Geometrie der Abrollfläche
39 des Betätigungshebels19 nicht auf die in2 beschriebene Geometrie beschränkt, sondern kann auch andere Geometrien beinhalten. Insbesondere kann der zweite Abschnitt II so ausgestaltet werden, dass die Hubgeschwindigkeit des Kolbens11 (siehe1 ) den hydraulischen oder mechanischen Anforderungen angepasst wird. Es kann bspw. vorgesehen sein, dass zu Beginn des Vorderhubs die Hubgeschwindigkeit hoch ist und mit zunehmendem Druck im Pumpenelement die Hubgeschwindigkeit abnimmt, so dass der Leistungsbedarf der Pumpe3 vergleichmäßigt wird und die Belastungsspitzen abgebaut werden. - Besonders vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Betätigungseinrichtung
1 ist, dass die Toleranzen der unterschiedlichen Bauteile wie Schlepphebel41 , Betätigungshebel19 , Stellglied21 und Nockenwelle13 nicht additiv oder multiplikativ einander beeinflussen, sondern weitgehend unabhängig voneinander sind. Durch Einstellen des Hubzapfens25 bei der Inbetriebnahme der Betätigungseinrichtung, können bei der Fertigung auftretende Toleranzen weitestgehend egalisiert werden. Eine vollständige Kompensation fertigungsbedingter Ungenauigkeiten kann durch eine entsprechende Korrekturkennlinie in einem nicht dargestellten Steuergerät, welches die Verstellwelle29 ansteuert, erreicht werden. - In
7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Betätigungshebels19 dargestellt. Ein in2 mit I bezeichneter erster Abschnitt der Abrollfläche39 ist kreisförmig ausgebildet und hat einen Radius R1, dessen Ursprung mit dem Drehpunkt37 des Betätigungshebels19 zusammenfällt. Daran schließt sich ein zweiter Abschnitt II der Abrollfläche39 an, dessen Kontur ebenfalls kreisförmig ist, allerdings liegt der Ursprung des zugehörigen Radius' R2 deutlich oberhalb des Betätigungshebels19 in2 . Dies bedeutet, dass im ersten Abschnitt I der Abstand der Abrollfläche zum Drehpunkt37 konstant ist, während er im zweiten Abschnitt II mit zunehmendem Abstand vom ersten Abschnitt I zunimmt. An den zweiten Abschnitt II schließt ein dritter Radius R3 an, der einen Übergang von dem zweiten Abschnitt II zu einem vierten Radius R4, dessen Drehpunkt mit dem Drehpunkt37 des Betätigungshebels19 zusammenfällt. Durch diese Geometrie der Abrollfläche39 können das Betriebsverhalten der Kolbenpumpe (nicht dargestellt) verbessert und die Beanspruchungen des Antriebs verringert werden. - Nachfolgend wird anhand der
8 und9 die Kinematik der Betätigungseinrichtung1 in Abhängigkeit der Stellung des Stellglieds21 beispielhaft erläutert. In den7 ,8 und9 sind nicht alle in der1 bezeichneten Bauteile mit Bezugszeichen versehen, sondern nur diejenigen, welche für das Verständnis der erfindungsgemäßen Kinematik von Bedeutung sind. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Schlepphebel41 um einen zweiten Drehpunkt53 drehbar gelagert. Außerdem ist der Schlepphebel41 als einarmiger Hebel ausgeführt und der Pumpenkolben11 liegt an einem Auflagepunkt55 auf, der sich zwischen dem zweiten Drehpunkt53 des Schlepphebels41 und der Rolle43 , welche sich auf dem Betätigungshebel19 abstützt. Dadurch erhöht sich die Belastbarkeit der gesamten Kinematik. In8 ist das Stellglied21 so eingestellt, dass sich kein Hub am Pumpenkolben11 einstellt. In9 ist das Stellglied21 so eingestellt, dass sich der maximale Hub am Pumpenkolben11 einstellt. Zwischen diesen Extrema kann der Hub des Pumpenkolbens11 stufenlos je nach gewünschter Fördermenge eingestellt werden. Ansonsten gilt das bezüglich des ersten Ausführungsbeispiels gesagte für das zweite Ausführungsbeispiel (7 bis9 ) entsprechend.
Claims (8)
- Betätigungsvorrichtung mit variablem Hub zum Antrieb eines oszillierenden Bauteils, wobei das oszillierende Bauteil gegen die Betätigungsvorrichtung (
1 ) vorgespannt ist, mit einer Nockenwelle (13 ), mit einem drehbar gelagerten Betätigungshebel (19 ), mit einem Schlepphebel (41 ), wobei der Betätigungshebel (19 ) von der Nockenwelle (13 ) und der Schlepphebel (41 ) von dem Betätigungshebel (19 ) angetrieben wird, und mit einem Stellglied (21 ) zum Ändern der relativen Lage von Nockenwelle (13 ) und Betätigungshebel (19 ), wobei der Drehpunkt (37 ) des Betätigungshebels (19 ) ortsfest ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (21 ) einen keilförmigen Abschnitt (23 ) aufweist, und dass durch Verschieben des zwischen Nockenwelle (13 ) und Betätigungshebel (19 ) angeordneten keilförmigen Abschnitts (23 ) die relative Lage von Nockenwelle (13 ) und Betätigungshebel (19 ) zueinander änderbar ist, und dass das osillierende Bauteil ein Pumpenkolben (11 ) einer Kolbenpumpe (3 ) ist. - Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (
21 ) an einem Hubzapfen (25 ) einer Verstellwelle (29 ) angelenkt ist. - Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Verdrehen der Verstellwelle (
29 ) der keilförmige Abschnitt (23 ) verschiebbar ist. - Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungshebel (
19 ) und/oder der Schlepphebel (41 ) eine Rolle (35 ,43 ) aufweisen, und dass die Relativbewegungen des Stellglieds (21 ) auf den Betätigungshebel (19 ) und/oder des Betätigungshebels (19 ) auf den Schlepphebel (41 ) über die Rollen (35 ,43 ) übertragen werden. - Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abrollfläche (
39 ) des Betätigungshebels (19 ), über die der Schlepphebel (41 ) angetrieben wird einen ersten Abschnitt (I) und einen zweiten Abschnitt (II) aufweist, dass die Abrollfläche (39 ) im ersten Abschnitt (I) konzentrisch (R1) zum Drehpunkt (37 ) des Betätigungshebels (19 ) verläuft, dass der Abstand zwischen Abrollfläche (39 ) und Drehpunkt (37 ) des Betätigungshebels (19 ) im zweiten Abschnitt (II) mit zunehmendem Abstand vom ersten Abschnitt (I) zunimmt. - Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (II) der Abrollfläche (
39 ) kreisförmig (R2) ist. - Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungshebel (
19 ) durch eine Druckfeder (31 ) gegen das Stellglied (21 ) gepresst wird. - Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oszillierende Bauteil durch eine Druckfeder (
49 ) oder eine desmodromische Steuerung gegen die Betätigungseinrichtung (1 ) vorgespannt ist.
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