-
Die
Erfindung betrifft eine Ventiltriebumschaltvorrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Es
sind bereits Ventiltriebumschaltvorrichtungen, insbesondere für Brennkraftmaschinen,
zur Schaltung eines Ventiltriebs mit zumindest einem Schaltankerelement,
das für
eine Schaltbewegung vorgesehen ist, und mit einem Schaltelement,
das für eine
Kopplung mit einer Schaltkulisse eines Nockenelements vorgesehen
ist, bekannt.
-
Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, einen durch die
Ventiltriebumschaltvorrichtung ausgelösten Schaltvorgang zu optimieren. Sie
wird gemäß der Erfindung
durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die
Erfindung geht aus von einer Ventiltriebumschaltvorrichtung, insbesondere
einer Brennkraftmaschine, zur Schaltung eines Ventiltriebs mit zumindest
einem Schaltankerelement, das für
eine Schaltbewegung vorgesehen ist, und mit einem Schaltelement,
das für
eine Kopplung mit einer Schaltkulisse eines Nockenelements vorgesehen
ist
-
Es
wird vorgeschlagen, dass die Ventiltriebumschaltvorrichtung eine
Koppeleinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, das Schaltankerelement und
das Schaltelement in zumindest einem Freiheitsgrad beweglich zueinander
zu koppeln. Dadurch kann eine vorteilhafte Führung des Schaltelements erreicht
werden, wodurch ein mittels der Ventiltriebumschaltvorrichtung durchgeführter Schaltvorgang besonders
einfach optimiert werden kann. Unter einem „Freiheitsgrad” soll insbesondere
ein Bewegungsparameter eines Systems verstanden werden, der von
weiteren Parametern unabhängig
ist, wie beispielsweise eine Linearbewegung und/oder eine Drehbewegung.
Vorzugsweise weist die Koppel einheit zumindest zwei Freiheitsgrade
und besonders bevorzugt zumindest drei Freiheitsgrade auf.
-
Vorzugsweise
ist das Schaltelement zumindest teilweise als ein Gleitschuh ausgebildet.
Dadurch kann das Schaltelement besonders vorteilhaft an die Schaltkulisse
gekoppelt werden.
-
Weiter
wird vorgeschlagen, dass das Schaltankerelement zumindest teilweise
als ein Schaltpin ausgebildet ist. Dadurch kann das Schaltelement
besonders einfach an die Schaltbewegung des Schaltankers gekoppelt
werden.
-
Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Koppeleinheit für zumindest einen als Drehbewegung
ausgebildeten Freiheitsgrad vorgesehen ist. Dadurch kann eine besonders
einfache und vorteilhafte Kopplung zwischen dem Schaltelement und
dem Schaltankerelement erreicht werden.
-
Ferner
wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Freiheitsgrad als eine
Drehbewegung um eine Drehachse entlang einer Haupterstreckungsrichtung
des Schaltankerelements ausgebildet ist. Dadurch kann sich das Schaltelement
in seiner Ausrichtung besonders vorteilhaft an einen Verlauf der Kulissenbahn
anpassen und dem Verlauf einer Verschiebekurve der Kulissenbahn
besonders einfach folgen. Vorzugsweise ist die Drehbewegung als
eine freie Drehbewegung ausgebildet, bei der ein möglicher
Winkel der Drehbewegung 360° beträgt und somit
eine freie Rotationsbewegung möglich
ist. Grundsätzlich
kann die Drehbewegung aber auch beschränkt sein.
-
Weiter
wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Freiheitsgrad als eine
Drehbewegung um eine Drehachse entlang einer Haupterstreckungsrichtung
des Schaltelements ausgebildet ist. Dadurch kann ein seitliches
Verkippen des Schaltelements effektiv kompensiert werden. Vorteilhafterweise
ist diese Drehbewegung als eine beschränkte Drehbewegung ausgebildet,
d. h. eine Drehbewegung, deren möglicher
Winkel auf einen Winkelbereich kleiner 360° beschränkt ist.
-
Ferner
wird vorgeschlagen, dass der zumindest eine Freiheitsgrad als eine
Drehbewegung um eine Drehachse senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung
des Schaltankerelements und/oder senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung
des Schaltelements ausgebildet ist. Dadurch kann besonders vorteilhaft
ein Höhenverlauf
der Kulissenbahn kompensiert werden. Vorzugsweise ist auch diese
Drehbewegung als eine beschränkte
Drehbewegung ausgebildet.
-
Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Koppeleinheit einen Kugelkopf und eine
zu dem Kugelkopf korrespondierende Ausnehmung umfasst. Dadurch kann
die Koppeleinheit konstruktiv besonders einfach ausgeführt werden.
Insbesondere kann dadurch eine Koppeleinheit bereitgestellt werden,
die lediglich Freiheitsgrade aufweist, die als Drehbewegungen ausgebildet
sind.
-
Weiter
wird vorgeschlagen, dass der Kugelkopf an einem Ende des Schaltankerelements
angeordnet ist. Dadurch kann eine besonders einfache Ausbildung
der Koppeleinheit erreicht werden.
-
Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Ausnehmung zumindest teilweise innerhalb
des Schaltelements ausgebildet ist. Dadurch kann besonders einfach
eine Führung
des Schaltelements bereitgestellt werden. Außerdem kann durch die Ausgestaltung
der als Aufnahme für
den Kugelkopf ausgebildeten Ausnehmung innerhalb des Schaltelements
ein zusätzlicher
Bauraum eingespart werden. Unter „innerhalb des Schaltelements” soll dabei
insbesondere räumlich
zwischen Funktionsflächen
des Schaltelements verstanden werden.
-
Vorzugsweise
ist die Koppeleinheit für
eine formschlüssige
Kopplung vorgesehen. Dadurch kann eine Kopplung zwischen dem Schaltankerelement und
dem Schaltelement bereitgestellt werden, die besonders einfach zu
montieren ist und die eine hohe Belastbarkeit aufweist.
-
Weiter
wird vorgeschlagen, dass das Schaltelement rotationsasymmetrisch
ausgebildet ist. Dadurch kann eine vorteilhafte Führung des
Schaltelements mittels der Schaltkulisse erreicht werden. Unter „rotationsasymmetrisch” soll dabei
insbesondere zumindest teilweise ellipsenförmig verstanden werden.
-
Ferner
wird vorgeschlagen, dass das Schaltelement einen Schlitz aufweist,
der dazu vorgesehen ist, ein Federmittel für eine formschlüssige Verbindung
zwischen dem Schaltankerelement und dem Schaltelement bereitzustellen.
Dadurch kann ein besonders einfaches Federmittel zur Herstellung
einer montagefreundlichen formschlüssigen Verbindung bereitgestellt
werden, da dadurch die Koppeleinheit für eine Schnappverbindung vorgesehen
werden kann. Grundsätzlich
sind aber auch andere Federmittel zur Herstellung ei ner Schnappverbindung
zwischen dem Schaltelement und dem Schaltankerelement denkbar. Beispielsweise
kann auch eine in das Schaltelement eingesetzte Hülse zur
Bereitstellung eines Federmittels vorgesehen werden.
-
Außerdem wird
vorgeschlagen, dass das Schaltelement eine Seitenfläche aufweist,
die zumindest teilweise als zumindest eine Funktionsfläche ausgebildet
ist und die dazu vorgesehen ist, mit zumindest einer Flanke einer
Kulissenbahn der Schaltkulisse zu korrespondieren. Dadurch kann
ein wandernder Berührpunkt
zwischen Funktionsfläche
und Flanke der Kulissenbahn realisiert werden, wodurch eine Toleranz
gegenüber
Winkelfehlern von Bauteilen der Ventiltriebumschaltvorrichtung erhöht werden kann.
Insbesondere kann dadurch effektiv und konstruktiv einfach ein Verschleiß des Schaltelements und
der Kulissenbahn reduziert werden. Unter einer „Funktionsfläche” soll insbesondere
ein Bereich an der Seitenfläche
des Schaltelements zur funktionellen Kopplung mit der Schaltkulisse
verstanden. Unter „korrespondierend” soll insbesondere
verstanden werden, dass eine Krümmung
der Funktionsfläche an
eine Krümmung
der Flanke der Kulissenbahn angepasst ist.
-
Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und
die Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird
die Merkmale zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen
zusammenfassen.
-
Dabei
zeigen:
-
1 eine
Aufsicht auf eine Ventiltriebumschaltvorrichtung mit axial verschiebbaren
Nockenelementen,
-
2 einen
Betätigungsaktuator
der Ventiltriebumschaltung,
-
3 ein
Schaltankerelement und ein Schaltelement des Betätigungsaktuators in einem demontierten
Zustand,
-
4 das
Schaltankerelement und das Schaltelement in einem montierten Zustand,
-
5 eine
Aufsicht auf das Schaltankerelement und das Schaltelement und
-
6 das
Schaltelement in einem geschalteten Zustand.
-
1 zeigt
eine Ventiltriebumschaltvorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
Die Ventiltriebumschaltvorrichtung weist zumindest ein Nockenelement 13 auf,
das axial verschieb bar und drehfest mit einer Grundwelle 30 verbunden
ist. Weiter weist die Ventiltriebumschaltvorrichtung eine Betätigungsvorrichtung 31 auf,
mittels der eine Schaltkraft zum Verschieben des zumindest einen
Nockenelements 13 bereitgestellt wird.
-
Die
Betätigungsvorrichtung 31 weist
eine Schalteinheit 32 mit zumindest einem Betätigungsaktuator 33 und
mit einer Schaltkulisse 12 mit zumindest einer Kulissenbahn 29 auf.
Der Betätigungsaktuator 33 umfasst
ein Schaltankerelement 10 sowie ein Schaltelement 11.
In einer Schaltstellung, in der das Schaltankerelement 10 ausgefahren
ist, greift das Schaltelement 11 in die Schaltkulisse 12 ein,
wodurch eine Drehbewegung des Nockenelements 13 in die
axial wirkende Schaltkraft bereitgestellt wird. In einer Neutralstellung
ist das Schaltelement 11 aus der Schaltkulisse 12 zurückgezogen.
Ein zweiter, nicht näher
bezeichneter Betätigungsaktuator
zum Eingriff in eine zweite Kulissenbahn ist analog ausgestaltet.
-
Der
Betätigungsaktuator 33 weist
eine Elektromagneteinheit 34 mit einer Statoreinheit 35 und
einer Ankereinheit 36 auf. Die Statoreinheit 35 umfasst eine
Spule 37 und einen Spulenkern 38, mittels dem ein
durch die Spule 37 erzeugbares Spulenmagnetfeld verstärkt wird.
Die Ankereinheit 36 umfasst einen Permanentmagneten 39,
der fest mit dem Schaltankerelement 10 verbunden ist. Mittels
der Spule 37 und des Permanentmagneten 39 wird
eine Betätigungskraft
zum Schalten des Schaltankerelements 10 bereitgestellt,
die entlang einer Haupterstreckungsrichtung 15 des Schaltankerelements 10 wirkt.
Das Schaltankerelement 10 ist entlang seiner Haupterstreckungsrichtung 15 beweglich
gelagert.
-
Das
Schaltankerelement 10 des Betätigungsaktuators 33 ist
teilweise als ein Schaltpin 40 ausgebildet. Das Schaltelement 11 des
Betätigungsaktuators 33 ist
als ein Gleitschuh ausgebildet (vgl. 2). Das
als Gleitschuh ausgebildete Schaltelement 11 ist einstückig ausgeführt und
steht in der Schaltstellung in Eingriff mit der Kulissenbahn 29. Der
Schaltpin 40 ist in einem Aktuatorgehäuse 41 des Betätigungsaktuators 33 gelagert.
Er ist durch das Aktuatorgehäuse 41 hindurch
geführt.
-
Ist
die Spule 37 unbestromt, wechselwirkt der Permanentmagnet 39 mit
dem umgebenden Material. In der Neutralstellung wechselwirkt der
Permanentmagnet 39 insbesondere mit dem Spulenkern 38 der
Elektromagneteinheit 34, der aus einem magnetisierbaren
Material besteht. In der Schaltstellung wechselwirkt der Permanentmagnet 39 insbesondere
mit dem Aktuatorgehäuse 41 des
Betätigungsaktuators 33.
In einem unbestromten Betriebszustand stabilisiert der Permanentmagnet 39 das
Schaltelement 11 in der Schalt stellung bzw. der Neutralstellung.
Der Betätigungsaktuator 33 ist
als ein bistabiles System ausgeführt,
das in einem unbestromten Zustand der Schaltstellung oder der Neutralstellung
zustrebt.
-
In
einem Betriebszustand, in dem die Elektromagneteinheit 34 bestromt
ist, wechselwirkt das Permanentmagnetfeld des Permanentmagneten 39 mit
dem Spulenmagnetfeld der Spule 37. Abhängig von einer Polarisierung
des Permanentmagneten 39 und der Elektromagneteinheit 34 kann
dabei eine anziehende Kraft und eine abstoßende Kraft realisiert werden.
Eine Polarisierung der Elektromagneteinheit 34 lässt sich
mittels einer Stromrichtung, mit der die Spule 37 bestromt
wird, einstellen. Um das Schaltankerelement 10 von seiner
Neutralstellung in die Schaltstellung auszufahren, wird die Spule 37 in
der Stromrichtung bestromt, für
die zwischen der Elektromagneteinheit 34 und dem Permanentmagneten 39 eine
abstoßende
Kraft wirkt.
-
Zur
Bereitstellung der axial wirkenden Schaltkraft weist die Kulissenbahn 29 eine
axiale und eine radiale Richtungskomponente auf. Befindet sich der
Betätigungsaktuator 33 in
der Schaltstellung, wirkt durch die axiale Richtungskomponente der
Kulissenbahn 29 eine Drehbewegung des Nockenelements 13 als
die axial wirkende Kraft, mittels der das Nockenelement 13 verschoben
wird. Um nach einem Verschieben des Nockenelements 13 den
Betätigungsaktuator 33 in
seine Neutralstellung zu bewegen, weist die Kulissenbahn 29 ein
Ausspursegment 42 auf, in dem ein Nutgrund 43 der
Kulissenbahn 29 bis auf ein Grundkreisniveau ansteigt.
Durch das Ausspursegment 42 wirkt auf den Betätigungsaktuator 33 eine
Kraft, die das Schaltankerelement 10 in seine Neutralstellung
zurückbewegt.
-
Bei
einem Einfahrschaltvorgang, in dem das Schaltankerelement 10 mittels
des Ausspursegments 42 von seiner Schaltstellung in die
Neutralstellung bewegt wirkt, strebt das Schaltankerelement 10 in
einer ersten Phase durch eine Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten 39 und
dem Aktuatorgehäuse 41 der
Schaltstellung zu. In einer zweiten Phase löst sich das Schaltankerelement 10 von
dem Nutgrund 43 und strebt durch die Wechselwirkung zwischen
dem Permanentmagneten 39 und dem Spulenkern 38 der
Neutralstellung zu. Das Schaltankerelement 10 wird durch
die Wechselwirkung zwischen dem Permanentmagneten 39 und dem
Spulenkern 38 in der zweiten Phase unabhängig von
der Drehbewegung des Nockenelements 13 in seine Neutralstellung
bewegt.
-
Das
Schaltankerelement 10 und das Schaltelement 11 sind
mittels einer Koppeleinheit 14 beweglich miteinander gekoppelt.
Die Koppeleinheit 14 umfasst einen an einem Ende 21 des
Schaltankerelements 10 angeordneten Kugelkopf 19 sowie
eine zu dem Kugelkopf 19 korrespondierende Ausnehmung 20,
die in dem Schaltelement 11 angeordnet ist (vgl. 3).
Das Schaltankerelement 10 und der Kugelkopf 19 sind
einstückig
ausgeführt.
In einem montierten Zustand sind das Schaltankerelement 10 und das
Schaltelement 11 mittels des Kugelkopfs 19 und der
korrespondierenden Ausnehmung 20 formschlüssig miteinander
verbunden. Die Ausnehmung 20 des Schaltelements 11 nimmt
den Kugelkopf 19 in sich auf. Mittels der Koppeleinheit 14 sind
das Schaltankerelement 10 und das Schaltelement 11 in drei
Freiheitsgraden beweglich zueinander gekoppelt.
-
Die
drei Freiheitsgrade sind als voneinander unabhängige Drehbewegungen zwischen
dem Schaltankerelement 10 und dem Schaltelement 11 ausgebildet.
Drehachsen 16, 18, 44 für alle drei
Freiheitsgrade sind mittels des Kugelkopfs 19 und der Ausnehmung 20 definiert.
Die drei Drehachsen 16, 18, 44 weisen
einen gemeinsamen Schnittpunkt 45 auf. Die drei Drehachsen 16, 18, 44 sind
senkrecht zueinander ausgerichtet (vgl. 6).
-
Die
Drehachse 16 für
die Drehbewegung des ersten Freiheitsgrads verläuft entlang der Haupterstreckungsrichtung 15 des
Schaltankerelements 10. Das Schaltelement 11 kann
sich in einem Winkel von 360° frei
um die als Drehachse 16 ausgebildete Haupterstreckungsrichtung 15 des
Schaltankerelements 10 drehen. Grundsätzlich kann die Drehbewegung
des ersten Freiheitsgrads mittels eines Führungselements auf einen definierten
Winkelbereich, wie beispielsweise auf einen auf die Kulissenbahn 29 angepassten
Winkelbereich, beschränkt
werden. Die Drehachse 18 für die Drehbewegung des zweiten Freiheitsgrads
verläuft
entlang einer Haupterstreckungsrichtung 17 des Schaltelements 11 (vgl. 4).
Die Drehbewegung um die Drehachse 18 ist beschränkt. Die
Drehachse 44 für
die Drehbewegung des dritten Freiheitsgrads verläuft senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung 17 des
Schaltelements 11 und senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung 15 des
Schaltankerelements 10. Die Drehbewegung um die Drehachse 44 ist
ebenfalls beschränkt.
-
Für eine Montage
des Betätigungsaktuators 33 weist
die Koppeleinheit 14 ein Federmittel 23 auf, mittels
dem die zu dem Kugelkopf 19 korrespondierende Ausnehmung 20 aufgeweitet
werden kann, um den Kugelkopf 19 in die Ausnehmung 20 einzubringen.
Das Federmittel 23 ist einstückig mit dem Schaltelement 11 ausgebildet.
Um das Federmittel 23 auszubilden, weist das Schaltelement 11 einen
entlang der Haupterstreckungsrichtung 17 des Schaltelements 11 angelegten
Schlitz 22 auf. Der Schlitz 22 ist mittig in das
Schalt element 11 einbracht. Er durchsetzt das Schaltelement 11 zu
einem wesentlichen Teil. In einem hinteren Bereich 46 sind
zwei Hälften 47, 48 des
Schaltelements 11 durch den Schlitz 22 voneinander
getrennt. In einem vorderen Bereich 49 sind die beiden
Hälften 47, 48 durch
die einstückige Ausbildung
des Schaltelements 11 miteinander verbunden.
-
Bei
einer Montage der Koppeleinheit 14 weitet sich der Schlitz 22 für einen
kurzen Zeitraum auf, während
der Kugelkopf 19 in die Ausnehmung 20 gepresst
wird. Durch die Kraft des einfahrenden Kugelkopfs 19 wird
der Schlitz 22 und mit ihm die Hälften 47, 48 des
als Gleitschuh ausgebildeten Schaltelements 11 auseinander
gedrückt
und der Kugelkopf 19 greift in die Ausnehmung 20 ein.
Sobald der Kugelkopf 19 in der Ausnehmung 20 liegt,
schnappen die Hälften 47, 48 des
Schaltelements 11 wieder in ihre Ausgangsposition zurück. Ein
Herausrutschen des Kugelkopfs 19 aus der Ausnehmung 20 wird
durch das Federmittel 23, das mittels des Schlitzes 22 ausgebildet
ist, verhindert.
-
Das
als Gleitschuh ausgebildete Schaltelement 11 weist eine
rotationsasymmetrische Grundform 50 auf (vgl. 5).
Die rotationsasymmetrische Grundform 50 des als Gleitschuh
ausgebildeten Schaltelements 11 weist zwei Funktionsflächen 25, 26 auf,
die als Teile von einer Seitenfläche 24 des Schaltelements 11 ausgebildet
sind. Die Funktionsflächen 25, 26 sind
für den
Eingriff in die Kulissenbahn 29 vorgesehen. Die Funktionsflächen 25, 26 sind
als Berührflächen zwischen
dem Schaltelement 11 und Flanken 27, 28 der
Kulissenbahn 29 ausgebildet. Die Funktionsflächen 25, 26 korrespondieren
mit den Flanken 27, 28 der Kulissenbahn 29.
Eine Krümmung
der Funktionsflächen 25, 26 ist
größer als
eine maximale Krümmung
der Kulissenbahn 29. Bei einem Verschieben des Nockenelements 13 während eines
Schaltvorgangs steht stets ein zusammenhängender Teil zumindest der
entsprechenden Funktionsfläche 25, 26 mit
der zugehörigen
Flanke 27, 28 der Kulissenbahn 29 in
Berührung.
-
Mittels
der rotationsasymmetrischen Grundform 50 und der freien
Drehbarkeit des als Gleitschuh ausgebildeten Schaltelements 11 wandert
ein mit der entsprechenden Flanke 27 der Kulissenbahn 29 in Kontakt
stehender Berührpunkt 51,
der durch den Kontakt zwischen der Funktionsfläche 25, 26 mit
der zugehörigen
Flanke 27, 28 definiert ist. Je nach einem Winkelgrad
der Kulissenbahn 29 wandert eine relative Position des
Berührpunkts 51 in
Bezug zu dem Schaltelement 11 bzw. zu den Funktionsflächen 25, 26 des
Schaltelements 11.