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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Kipphebelvorrichtung
für einen
Ventiltrieb, die variable Ventilhubfähigkeit aufweist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Variable
Ventilbetätigungsmechanismen
für Verbrennungsmotoren
sind gut bekannt. Es ist beispielsweise bekannt, dass insbesondere
bei Einlassventilen während
Zeiträumen
mit hoher Motorlast der Hub eines oder mehrerer Ventile eines Mehrzylindermotors
verringert oder sogar gar kein Hub vorgesehen werden sollte.
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Eine
herkömmliche
Kipphebelvorrichtung des Zweistufen-Schlepphebel-Typs umfasst einen länglichen,
starren Hauptkipphebelkörper.
Dieser Hauptkipphebelkörper
hat ein erstes Ende, um eine herkömmliche hydraulische Zielangleichvorrichtung als
Schwenkmittel in Eingriff zu nehmen, und ein Verbindungsflächenmittel
an einem zweiten, gegenüberliegenden
Ende, um den Ventilschaft eines zu betätigenden Ventils in Eingriff
zu nehmen. Die Vorrichtung umfasst ferner zwei seitliche Kipphebel,
die selektiv an den Hauptkipphebel gekuppelt werden können, um
ein Schalten zwischen zwei Vorrichtungskonfigurationen bereitzustellen,
um so zwei verschiedene Ventilhubfähigkeiten zu erhalten. Diese
Kupplung wird normalerweise durch ein am Hauptkipphebel befestigtes
Sperrelement erzielt. Das Sperrelement kann zwischen einer ersten,
ruhenden Position, in der die seitlichen Kipphebel abgekuppelt sind,
und einer zweiten Position bewegt werden, in der der Hauptkipphebel
mit den seitlichen Kipphebeln gekuppelt ist. In der ersten Position
des Sperrelements wird der Ventilhub nur durch die Wirkung eines
mittleren Nockens auf den Hauptkipphebel herbeigeführt, wohingegen
der Ventilhub in der zweiten Position des Sperrelements durch die
Wirkung der zugeordneten seitlichen Nocken auf die seitlichen Kipphebel
verursacht wird.
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Zur
Betätigung
des Sperrelements ist ein an Letzteres gekuppelter Kolben im Hauptkörper angeordnet.
Dieser Kolben ist sich hin und her bewegend in einer Kolbenbohrung
angeordnet und definiert mit dieser eine Hydraulikkammer, die über einen Ölzulaufdurchlass
mit der Aufnahme verbunden ist. Der Kolben wird betätigt, indem
der durch die hydraulische Zielangleichvorrichtung (HLA) zugeführte Öldruck erhöht wird,
um so den Kolben gegen eine Rückholfeder
zu bewegen, die das Sperrelement in der abgekuppelten Position vorspannt.
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Das
Schalten sollte so schnell wie möglich erfolgen,
was eine relativ große
Kraft auf den Kolben erfordert, um ihn zu schnell zu bewegen. Leider
ist der maximale Öldruck
begrenzt, insbesondere unter heißen Leerlaufbedingungen. Dies
macht die Betätigung
einer solchen Kipphebelvorrichtung langsam und unsicher mit zahlreichen
Schwankungen.
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EP-A-1
367 228 beschreibt eine Kipphebelvorrichtung, bei der das Sperrbetätigungsmittel
einen Kolben umfasst, der sich hin und her bewegend in einer Kolbenbohrung
angeordnet und an ein Sperrelement gekuppelt ist, um Letzteres von
einer ersten zu einer zweiten Position zu bewegen. Der Kolben weist einen
Kolbenboden mit einer Druckfläche
auf, die mit einer Seitenwand und einer Stirnwand der Kolbenbohrung
eine Hydraulikkammer definiert. Ein Ölzulaufdurchlass, der mit einer
Aufnahme einer hydraulischen Zielangleichvorrichtung (HLA) verbunden
ist, öffnet
nahe der Stirnwand in die Seitenwand der Hydraulikkammer, um so
den Kolben unter der Wirkung von Hydraulikdruck zu bewegen. Der
Kolbenboden umfasst einen vorstehenden Stift, der sich zur Stirnwand
erstreckt.
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ZIEL DER ERFINDUNG
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kipphebelvorrichtung
mit besserer Schaltfähigkeit
bereitzustellen. Dieses Ziel wird durch eine Kipphebelvorrichtung
nach Anspruch 1 erreicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
erfindungsgemäße Kipphebelvorrichtung
umfasst ein Sperrelement, das zwischen einer ersten Position zur
Bereitstellung einer ersten Konfiguration der Kipphebelvorrichtung
und einer zweiten Position zur Bereitstellung einer zweiten Konfiguration
der Kipphebelvorrichtung bewegt werden kann. Die Vorrichtung umfasst
ferner ein Sperrbetätigungsmittel,
das einen Kolben umfasst, der sich hin und her bewegend in einer
Kolbenbohrung angeordnet und an das Sperrelement gekuppelt ist,
um das Sperrelement von der ersten zur zweiten Position zu bewegen.
Der Kolben hat eine Druckfläche,
die mit der Kolbenbohrung eine Hydraulikkammer definiert, wobei
die Hydraulikkammer einen Einlass für ein unter Druck stehendes
Hydraulikmedium umfasst, um so den Kolben unter der Wirkung von
Hydraulikdruck zu bewegen.
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Gemäß einem
wichtigen Aspekt der Erfindung sind die Hydraulikkammer und die
Druckfläche des
Kolbens in einer solchen Weise ausgelegt, dass in einer ersten Position
des Kolbens nur eine erste Fläche
der Druckfläche
dem unter Druck stehenden Hydraulikmedium ausgesetzt ist und dass
ab einer zweiten Position des Kolbens eine zweite Fläche der Druckfläche, die
größer als
die erste Fläche
ist, dem unter Druck stehenden Hydraulikmedium ausgesetzt ist.
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Diese
Konstruktion des Betätigungsmittels stellt
wegen der plötzlichen
Zunahme der Betätigungskraft
quasi eine „verstärkende" Wirkung bei der Verschiebung
des Kolbens bereit.
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Wenn
sich der Kolben in der ersten Position befindet, wirkt der anfangs
kleine Öldruck
(typisches Hydraulikmedium) nur auf die erste Fläche des Kolbens. Während der Öldruck ansteigt
und der Kolben zu der zweiten Position bewegt wird, wirkt der Öldruck plötzlich auf
die zweite, größere Fläche, wobei eine
plötzliche
und wesentliche Zunahme des auf den Kolben wirkenden Drucks herbeigeführt wird
und dadurch der Kolben und somit das Sperrelement schnell bewegt
werden. Eine solche schnelle Verschiebung des Sperrelements ist
deswegen von Vorteil, weil sie ein schnelles und präzises Umschalten von
der ersten zur zweiten Konfiguration der Kipphebelvorrichtung erlaubt.
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Damit
die Betätigungskraft
in großem
Maße variiert
werden kann, stellen die erste Fläche vorteilhafterweise einen
kleineren Abschnitt der Kolbendruckfläche und die zweite Fläche einen
vergleichsweise überwiegenden
Abschnitt der Kolbendruckfläche
dar. Die zweite Fläche
entspricht vorzugsweise der Gesamtfläche der Druckfläche einschließlich der ersten
Fläche.
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Die
Hydraulikkammer wird durch eine Seitenwand und eine Stirnwand der
Kolbenbohrung definiert, und der Einlass für das unter Druck stehende Hydraulikmedium
ist in der Stirnwand angeordnet. Der Kolbenboden umfasst einen vorstehenden
Stift, der sich zur Stirnwand erstreckt, um so eine gestufte Druckfläche zu bilden.
In der ersten Position des Kolbens blockiert dieser vorstehende
Stift den Einlass der Hydraulikkammer. In der ersten Position ist
die Kolbenfläche,
die dem Druck ausgesetzt ist (d.h. die erste Fläche), die Stiftfläche, die
mit der Querschnittsfläche
des Einlasses zusammentrifft. Wenn der Kolben die zweite Position
erreicht – normalerweise
sobald der Stift den Einlass nicht mehr blockiert –, wird
die ganze Kolbenfläche
(d.h. die Fläche des
Stifts plus die übrige
Fläche
des Kolbenbodens) dem unter Druck stehenden Hydraulikmedium ausgesetzt.
Selbstverständlich
ermöglicht
eine Veränderung
der Maße
der ersten und zweiten Fläche
Spielraum für
die verstärkende
Wirkung.
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Obwohl
eine solche Konstruktion wegen ihrer Wirksamkeit und problemlosen
Realisierung bevorzugt wird, kann man verschiedene Konstruktionen vorsehen,
um eine erste, kleinere Fläche
und eine zweite, große
Druckfläche
bereitzustellen.
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Die
Kipphebelvorrichtung hat vorzugsweise einen Hauptkipphebel mit einem
Körper,
der eine Aufnahme zum Eingriff mit einem Drehzapfen an einem ersten
Ende und ein Verbindungsflächenmittel zum
Eingriff mit einem Ventilschaft an einem zweiten Ende des Körpers umfasst.
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Das
Sperrbetätigungsmittel
ist vorzugsweise im Körper
des Hauptkipphebels vorgesehen. Vorteilhafterweise verbindet daher
ein Zulaufdurchlass die Aufnahme mit dem Einlass in der Stirnwand
der Hydraulikkammer und ist der Drehzapfen eine hydraulische Zielangleichvorrichtung
mit einem Nasenabschnitt, der mit der Aufnahme in Eingriff steht
und mit einer Bohrung für
das Hydraulikmedium versehen ist. Die Verwendung einer solchen hydraulischen
Zielangleichvorrichtung ermöglicht
die Steuerung der Ventilhubschaltung durch Veränderung der Öldrucks,
der der Kipphebelvorrichtung durch die hydraulische Zielangleichvorrichtung
zugeführt
wird.
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Die
Vorrichtung umfasst vorzugsweise auch ein Federmittel, um das Sperrelement
in einer Richtung vorzuspannen, die der Richtung entgegengesetzt
ist, in der der Kolben wegen der Wirkung des Hydraulikmediums auf
die Kolbendruckfläche
bewegt wird, wobei der Kolben und das Sperrelement durch ein starres
Kupplungselement gekuppelt sind. Dies ermöglicht die Rückbewegung
des Kolbens zu seiner ersten Position, indem einfach der Druck des
Hydraulikmediums im Zulaufdurchlass verringert wird, wodurch auch
von der zweiten zur ersten Konfiguration der Vorrichtung umgeschaltet
wird.
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Die
vorliegende Kipphebelvorrichtung wird vorzugsweise als Kipphebelvorrichtung
des Zweistufen-Schlepphebel-Typs vorgesehen, die zwei seitliche
Kipphebel umfasst, von denen jeweils einer an jeder Seite des Hauptkipphebels
angeordnet ist. In einem solchen Fall muss das Sperrelement in seiner zweiten
Position mit zusammenwirkenden Sperrflächen der seitlichen Kipphebel
in Eingriff stehen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der begleitenden
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1:
einen Längsschnitt
einer bevorzugten Ausführung
einer erfindungsgemäßen Kipphebelvorrichtung;
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2:
eine Detailansicht des Sperrbetätigungsmittels
in einer ersten, ruhenden Position;
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3:
eine Detailansicht des Sperrbetätigungsmittels
in seiner Endposition; und
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4:
ein Diagramm, das die auf den Kolben wirkende Hydraulikkraft, die
auf den Kolben wirkende Federkraft und die auf den Kolben wirkende Gesamtkraft
sowie die Kolbenbewegung in Abhängigkeit
vom Öldruck
zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführung
einer Kipphebelvorrichtung 10 für die variable Betätigung eines
Gasventils in einem Verbrennungsmotor.
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Diese
Kipphebelvorrichtung 10 ist vom so genannten Zweistufen-Schlepphebel-Typ, so dass die
Konfiguration der Kipphebelvorrichtung 10 verändert werden
kann, um zwei verschiedene Ventilhubfähigkeiten bereitzustellen.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen Hauptkipphebel 12,
der einen Kipphebelkörper 14 und
einen seitlichen Kipphebel 16 aufweist. Der Hauptkipphebel 12 hat
an einem ersten Ende eine kugelförmige
Aufnahme 18, um den Kopf einer hydraulischen Zielangleichvorrichtung
(HLA) 19 aufzunehmen, um so eine schwenkbare Befestigung
der Vorrichtung 10 im Motor zu bilden. An einem zweiten, gegenüberliegenden
Ende ist der Hauptkipphebel 12 mit einer bogenförmigen Auflagefläche 20 versehen, um
die Verbindungsfläche
zu einem Ventilschaft 21 zu bilden und diesen zu betätigen. Vorzugsweise
ist aus Gründen
der Symmetrie im Allgemeinen ein zweiter seitlicher Kipphebel (nicht
dargestellt) an der anderen Seite des Hauptkipphebels 12 vorgesehen. Eine
solche Kipphebelvorrichtung 10 wirkt mit der Nockenwelle
zusammen, die einen Hauptnocken zum Eingriff mit einer Außenfläche 24 des
Hauptkipphebels 12 sowie zwei seitliche Nocken zum Eingriff mit
einer jeweiligen Außenfläche 26 der
seitlichen Kipphebel 16 aufweist.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst ferner ein Sperrelement 48,
das durch ein Sperrbetätigungsmittel,
das allgemein mit 30 gekennzeichnet ist, betätigt werden
kann, um die seitlichen Kipphebel an den Hauptkipphebel 12 zu
kuppeln oder davon abzukuppeln, um so die Konfiguration der Vorrichtung 10 und somit
die Ventilhubfähigkeit
zu verändern.
In den Figuren ist lediglich der Teil des Sperrelements 48 dargestellt,
der mit dem Sperrbetätigungsmittel 30 verbunden
ist. Das Sperrelement 48 kann irgendein Mechanismus sein,
der die seitlichen Kipphebel 16 an den Hauptkipphebel 12 kuppeln
bzw. die seitlichen Kipphebel 16 vom Hauptkipphebel 12 abkuppeln kann.
Die seitlichen Kipphebel und der Hauptkipphebel sind voneinander
abgekuppelt, wenn das Sperrelement 48 nicht in Eingriff
steht. Demzufolge ist es die Wirkung des mittleren Nockens auf die
Außenfläche 24 des
Hauptkipphebels, die den Ventilhub bestimmt. Bei dieser Konfiguration
hat die Wirkung der seitlichen Nocken auf die seitlichen Kipphebel 16 keinen Einfluss
auf den Ventilhub, da sich die seitlichen Kipphebel im Leerhub hin
und her bewegen.
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Wenn
das Sperrelement 48 in Eingriff steht, ergibt sich eine
starre Kupplung der seitlichen Kipphebel 16 mit dem Hauptkipphebel 12.
Dies bildet eine zweite Vorrichtungskonfiguration, bei der die Ventilbetätigung durch
die Wirkung der seitlichen Nocken auf die Außenflächen 26 der seitlichen
Kipphebel 16 bedingt ist, wobei der Ventilhub durch die
Konstruktion dieser Elemente bestimmt wird.
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Wie
es normalerweise bei Kipphebelvorrichtungen mit variabler Ventilhubfähigkeit
der Fall ist, versteht es sich, dass das Sperrelement an einer bestimmten
relativen Position zwischen Hauptkipphebel und seitlichen Kipphebeln
betätigt
wird, um einen richtigen Eingriff des Sperrelements mit Sperrflächen der
seitlichen Kipphebel sicherzustellen. Diese Verbindung sollte ein
schnelles Schalten – d.h.
schnelles Bewegen des Sperrelements – durchführen können.
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Detaillierter
Bezug nehmend auf das in 2 dargestellte Sperrbetätigungsmittel 30,
umfasst es einen Kolben 34, der sich hin und her bewegend
in einer Kolbenbohrung 36 befestigt ist, die eine zylindrische
Seitenwand 38 und eine Stirnwand 40 aufweist.
Der Kolben hat einen Boden mit einer Druckfläche 42, die mit der
Seitenwand 38 und Stirnwand 40 der Kolbenbohrung 36 eine
Hydraulikkammer 44 definiert. Die Hydraulikkammer 44 umfasst
einen Einlass 46 für
ein unter Druck stehendes Hydraulikmedium (normalerweise Motoröl), um so
den Kolben 34 unter der Wirkung von Hydraulikdruck zu bewegen.
Der Einlass 46 ist über
einen Ölzulaufdurchlass 49 mit
der Aufnahme 18 verbunden.
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Der
Kolben 34 ist an das Sperrelement 48 gekuppelt.
Man sieht, dass das Sperrelement 48 vorzugsweise in seiner
Ruheposition durch eine Feder 50 vorgespannt ist, die das
Sperrelement 48 in eine Richtung drückt, die auf die Achse der
Kolbenbohrung 36 ausgerichtet ist.
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Der
Kolbenboden umfasst bei der vorliegenden Erfindung einen vorstehenden
Stift 54, der sich zur Stirnwand 40 erstreckt,
wodurch eine gestufte Druckfläche 42 gebildet
wird. Der Stift 54 blockiert in der ersten Position des
Kolbens (in 2 dargestellt) den Öleinlass 46 und
dichtet dadurch die Kammer 44 hydraulisch vom Ölzulaufdurchlass 49 ab.
Vorteilhafterweise und vorzugsweise hat das Ende des Stifts 54,
das am Einlass 46 ruht, eine ringförmige Dichtfläche, die
mit einem ringförmigen
Sitz des Einlasses 46 zusammenwirkt. In dieser ersten Kolbenposition,
die die Ruheposition ist, wird nur die mit dem Zulaufdurchlass 49 zusammentreffende
Stiftfläche
dem betätigenden Öldruck ausgesetzt,
der von der hydraulischen Zielangleichvorrichtung über den Ölzulaufdurchlass 49 zugeführt wird.
Der zur Betätigung
des Kolbens benötigte Öldruck wird
in der Tat durch die hydraulische Zielangleichvorrichtung zugeführt, der außer seiner
Funktion der Ventilspieleinstellung auch in seiner Nase, die mit
der Aufnahme 18 in Eingriff steht, eine Ölbohrung
aufweist, um dem Zulaufdurchlass 49 Öl zuzuführen, um so eine „Schaltfunktion" zu erreichen.
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Zum
Umschalten in die andere Konfiguration der Vorrichtung muss der
Kolben 34 nach links – um die
seitlichen Kipphebel in Eingriff zu nehmen – und beispielsweise schließlich bis
zur Endposition bewegt werden, die in 3 dargestellt
ist. Wenn eine solche Schaltung erwünscht ist, steigert das Motorsteuergerät (ECM)
den der hydraulischen Zielangleichvorrichtung zugeführten Öldruck,
um den Öldruck
im Zulaufdurchlass 49 zu vergrößern. Der Kolben 34 bleibt
in der Ruheposition, solange die Kraft, die aus dem auf den Stift 54 wirkenden Öldruck resultiert,
nicht die Federkraft übersteigt.
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Da
der Öldruck
im Zulaufdurchlass 49 ausreicht, um den Kolben 34 aus
seinem Sitz am Einlass 46 herauszuheben, wird der Öldruck unmittelbar
auf die gesamte Druckfläche 42 des
Kolbens übertragen, die
demnach viel größer als die
anfangs freie Stiftfläche
ist. Dies führt
zu einer plötzlichen
und wesentlichen Zunahme der auf den Kolbenboden wirkenden Kraft,
der demzufolge plötzlich
nach links verschoben wird. Mit anderen Worten: das vorliegende
Sperrbetätigungsmittel 30 stellt
quasi eine „verstärkende" Wirkung bereit,
sobald die Federkraft durch den Öldruck
im Ölzulaufdurchlass 49 überwunden
wird. Dadurch kann das Sperrelement 48 schnell die seitlichen
Kipphebel 16 mit dem Hauptkipphebel 12 in Eingriff
bringen. Es genügt
dann, den Öldruck
weiter zu erhöhen,
um das Sperrelement zu seiner Endposition (in 3 dargestellt)
zu bewegen.
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Diese „verstärkende" Wirkung geht auch deutlich
aus der 4 hervor, die ein Diagramm ist, das
in Abhängigkeit
vom Öldruck
Folgendes darstellt:
- – die wegen des Öldrucks
auf den Kolben wirkende Kraft (durch die Linie 60 gekennzeichnet);
- – die
auf den Kolben wirkende Federkraft (durch die Linie 62 gekennzeichnet);
- – die
auf den Kolben wirkende Gesamtkraft (durch die Linie 64 gekennzeichnet);
und
- – die
Bewegung des Kolbens (durch die Linie 66 gekennzeichnet).
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Man
sieht, dass der Kolben 34 wegen der insgesamt negativen
Gesamtkraft in der Ruheposition (2) bleibt,
solange der Öldruck
im Zulaufdurchlass 49 unter 1 bar liegt (willkürlicher
Wert). Die wegen des Öldrucks
auf den Kolben 34 wirkende Kraft gleicht dem Produkt aus
dem Öldruck
und der mit dem Einlass 46 zusammentreffenden Stiftfläche. Sobald
der Öldruck
1 bar erreicht, wird die Federkraft ausgeglichen und der Kolben 34 aus
seinem Sitz am Einlass 46 herausgehoben. Der Öldruck vom
Zulaufdurchlass 49 wird somit unmittelbar zur Hydraulikkammer 44 übertragen, so
dass die ganze Kolbenfläche 42 (ringförmige Fläche plus
Stiftfläche)
diesem Öldruck
ausgesetzt ist. Dies verursacht einen plötzlichen Anstieg der wegen
des Öldrucks
auf den Kolben 34 wirkenden Kraft, da sie dem Produkt aus
der Gesamtdruckfläche
(einschließlich
der Stiftfläche) und
dem Öldruck
gleich wird. Dies führt
zu einer plötzlichen
und wesentlichen Verschiebung des Kolbens, die durch die Linie 66
beim Öldruck
von ungefähr
1 bar gekennzeichnet ist. Eine weitere Erhöhung des Öldrucks verursacht dann einen
linearen Anstieg der wegen des Öldrucks
auf den Kolben 34 wirkenden Kraft und demnach eine lineare
Verschiebung des Kolbens 34 nach links, bis schließlich die
Endposition von 3 erreicht ist.
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- 10
- Kipphebelvorrichtung
- 12
- Hauptkipphebel
- 14
- Kipphebelkörper
- 16
- seitlicher
Kipphebel
- 18
- kugelförmige Aufnahme
- 19
- hydraulische
Zielangleichvorrichtung (HLA)
- 20
- bogenförmige Auflagefläche
- 21
- Ventilschaft
- 22
- Schwenkwelle
- 24
- Außenfläche des
Hauptkipphebels
- 26
- Außenfläche des
seitlichen Kipphebels
- 30
- Sperrbetätigungsmittel
- 34
- Kolben
- 36
- Kolbenbohrung
- 38
- zylindrische
Seitenwand
- 40
- Stirnwand
- 42
- Druckfläche des
Kolbens
- 44
- Hydraulikkammer
- 46
- Einlass
für unter
Druck stehendes Öl
- 48
- Sperrelement
- 50
- Feder
- 54
- Kolbenstift
- 60
- Hydraulikkraft,
die auf den Kolben wirkt
- 62
- Federkraft,
die auf den Kolben wirkt
- 64
- Gesamtkraft,
die auf den Kolben wirkt
- 66
- Bewegung
des Kolbens