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Die Erfindung betrifft einen mechanischen automatischen
Spielnachsteller, der als Spielnachsteller für einen
Ventilbetätigungsmechanismus eines Verbrennungsmotors oder eines Kompressors
oder dergleichen benutzt werden kann. Ein mechanischer
automatischer Spielnachsteller, umfassend ein hülsenförmiges Teil mit
Innengewinde, ein zapfenförmiges Teil in dem genannten
hülsenförmigen Teil mit einer Außengewindeform, die der
Innengewindeform des hülsenförmigen Teils im allgemeinen komplementär ist,
wobei die Form der Gewinde eine relativ hohe Reibung bei axialer
Belastung des Schraubengewindes in einer Richtung aufweist,
verglichen mit einer relativ geringen Reibung bei axialer
Belastung in Gegenrichtung, und Federmittel, die auf das
zapfenförmige Teil einwirken, um es in der genannten Gegenrichtung der
axialen Belastung vorzuspannen und auf diese Weise das
zapfenförmige Teil in eine Richtung zu drängen, um es gegenüber dem
hülsenförmigen Teil axial vorzubewegen, wobei die Gewindeform so
ausgeführt ist, daß sie jeweils zusammenwirkende Laufflanken und
Sperrflanken bildet, wobei das zapfenförmige Teil rotiert und
sich gegenüber dem hülsenförmigen Teil axial vorbewegt, wenn der
Axialschub der Federmittel auf die genannten Laufflanken wirkt,
wird nachfolgend in der gesamten Beschreibung als "ein
mechanischer automatischer Nachsteller der genannten Art" bezeichnet.
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Mechanische automatische Nachsteller der genannten Art, die als
Ventilspielnachsteller verwendet werden, sind in der GB-
A-2033472 und der EP-A-0 032 284 offenbart. In einem dieser in
den vorstehend genannten Patentbeschreibungen beschriebenen und
illustrierten Nachsteller läuft ein Schraubenbolzenelement mit
Außengewinde in einer Hülse mit komplementärem Innengewinde,
wobei diese Hülse einstückig mit dem einen Ende eines Kipphebels
verbunden ist; dabei ist das Schraubenbolzenelement zwischen
einer Feder an einem Ende und einer Nocke oder einer
nockenbetätigten Stößelstange am anderen Ende angeordnet. In einer anderen
Ausführung besteht das Schraubenbolzenelement aus dem
ungeteilten
Endteil eines Ventilschaftes, wobei dieses Endteil innerhalb
einer Hülse mit komplementärem Innengewinde in einem
tassenartigen Stößel läuft; solche Anordnungen sind insbesondere für einen
obenliegenden Nocken-Ventil-Betätigungsmechanismus anwendbar.
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In der GB-A-2160945 wird ein unabhängiger mechanischer
automatischer Nachsteller der genannten Art beschrieben und illustriert,
der eine vorgefertigte Anordnung aus einem Gehäuse mit einem
Sägezahninnengewinde, einem Schraubenbolzenelement mit einem
damit zusammenwirkenden Sägezahnaußengewinde und einer
Druckfeder innerhalb des Gehäuses umfaßt, die das
Schraubenbolzenelement in der Weise vorspannt, daß es rotiert und sich axial aus
dem Gehäuse herausbewegt.
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In all den vorstehenden Offenbarungen weist die
Sägezahngewindeform eine relativ hohe Reibung in der Richtung der axialen
Belastung des zapfenförmigen Teils gegenüber dem hülsenförmigen
Teils auf, die der Richtung der axialen Vorspannung durch die
Feder entgegengesetzt ist. Umgekehrt weist die Gewindeform eine
relativ geringe Reibung in der Richtung axialer Belastung auf,
in der die Federmittel das zapfenförmige Teil vorspannen,
wodurch das zapfenförmige Teil rotieren kann und sich axial
gegenüber dem hülsenförmigen Teil auf den Laufflanken der
zusammenwirkenden Gewinde unter der axialen Federvorspannung vorbewegt.
Die vorstehend genannte relativ hohe Reibung tritt zwischen den
Sperrflanken der zusammenwirkenden Gewinde auf, die in einer
Weise ausgestaltet sind, daß sie jede wesentliche Drehung des
zapfenförmigen Teils gegenüber dem hülsenförmigen Teil in der
genannten Richtung axialer Belastung des zapfenförmigen Teils
verhindern sollen, die der Richtung der federbelasteten axialen
Vorspannung entgegengesetzt ist.
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In der GB-A-2160945 ist offenbart, daß es trotz des verkeilenden
sperrenden Eingriffs, der zwischen den Sperrflanken der
zapfenförmigen und hülsenförmigen Teile in der Richtung axialer
Belastung mit hoher Reibung erreichbar ist, bei der Anwendung
manchmal für kurze Zeit zu einer Situation kommen kann, bei der die
Reibung an den zusammenwirkenden Sperrflanken infolge des
Ölfilms sehr gering ist und daß axiale Vorspannung eine
"Rückwärts"-Drehung des zapfenförmigen Teils gegenüber dem
hülsenförmigen Teils bewirkt. Das Vorhandensein eines Ölfilms zwischen
den Sperrflanken kann zu einem übermäßigen Grad an
"Rückwärts"-Drehung führen und es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen verbesserten mechanischen automatischen
Nachsteller der genannten Art bereitzustellen, bei dem die
zusammenwirkenden Gewindeformen der zapfenförmigen und hülsenförmigen
Teile so gestaltet sind, daß sie der unerwünscht geringen
Reibung entgegenwirken, die sich zwischen den zusammenwirkenden
Sperrflanken als Folge eines dazwischen befindlichen Ölfilms
entwickeln kann.
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Erfindungsgemäß wird ein mechanischer automatischer
Spielnachsteller bereitgestellt, umfassend ein hülsenförmiges Teil mit
Innengewinde, ein zapfenförmiges Teil in dem genannten
hülsenförmigen Teil mit einer Außengewindeform, die so gestaltet ist,
daß sie in der Gewindeform des hülsenförmigen Teils läuft, wobei
die Form der Gewinde eine relativ hohe Reibung bei axialer
Belastung des Schraubengewindes in einer Richtung aufweist,
verglichen mit einer relativ geringen Reibung bei axialer Belastung in
Gegenrichtung, und Federmittel, die auf das zapfenförmige Teil
einwirken, um es in der genannten Gegenrichtung der axialen
Belastung vorzuspannen und auf diese Weise das zapfenförmige
Teil in eine Richtung zu drängen, um es gegenüber dem
hülsenförmigen Teil axial vorzubewegen, wobei die Gewindeform so
ausgeführt ist, daß sie jeweils zusammenwirkende Laufflanken und
Sperrflanken bildet, wobei das zapfenförmige Teil rotiert und
sich gegenüber dem hülsenförmigen Teil axial vorbewegt, wenn der
Axialschub der Federmittel die genannten Laufflanken
zusammendrängt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Sperrflanke des
hülsenförmigen Teils eine kontinuierliche Oberfläche im axialen
Querschnitt aufweist, und die Sperrflanke des zapfenförmigen
Teils eine diskontinuierliche Oberfläche im axialen Querschnitt
aufweist, wobei die genannte diskontinuierliche Oberfläche eine
Mehrzahl von schraubenförmig sich erstreckenden Stegen und Nuten
aufweist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des mechanischen
automatischen Spielnachstellers wird bei Kontakt der Sperrflanken
miteinander ein schraubenförmiges Reservoir zwischen dem
zapfenförmigen Teil und einem Abschnitt der Sperrflanke des
hülsenförmigen Teils gebildet, der nicht mit der Sperrflanke des
zapfenförmigen Teils in Kontakt ist.
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Andere Merkmale der Erfindung werden durch die folgende
Beschreibung deutlich, die hier nur beispielhaft mit Bezug auf die
beiliegenden Zeichnungen zu verstehen ist.
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Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines
Spielnachstellers gemäß der Erfindung, der in die Ventiltriebanordnung eines
Verbrennungsmotors integriert ist;
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Fig. 2 und 3 zeigen schematische Darstellungen des
Verhältnisses der Positionen der Gewindeformen des
Schraubenbolzenelements und des Gehäuses während der Abfolge von Ventilöffnungs-
und -schließungsbelastungen, die durch den Nocken ausgeübt
werden.
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In Fig. 1 der Zeichnungen wird ein erfindungsgemäßer
mechanischer automatischer Spielnachsteller 10 dargestellt, der in die
Ventiltriebanordnung eines Verbrennungsmotors integriert ist,
die einen Nocken 12, einen am Ende gelagerten Schwinghebel 14
und den genannten Spielnachsteller 10 umfaßt. In Übereinstimmung
mit der gängigen Praxis hat der Schwinghebel 14 eine gekrümmte
Gleitfläche 16 auf der Oberseite, auf die der Nocken wirkt, eine
Anschlagfläche 18 an der Unterseite an einem Ende des
Schwinghebels, um auf einen Ventilschaft (nicht dargestellt) einzuwirken,
und eine halbkugelförmige Aussparung 20 an der Unterseite am
anderen Ende des Schwinghebels, die als Drehpunkt des Hebels
dient.
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Der Nachsteller 10 umfaßt eine unabhängige Anordnung aus Gehäuse
22,
Schraubenbolzenelement 24 und Druckfeder 26 der gleichen
allgemeinen Art, wie sie in der GB-A-2160945 beschrieben wird.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist das Gehäuse 22 ein
unteres geschlossenes Ende 28 und eine zentrale Bohrung 30 auf, die
an ihren Wänden mit einem Sägezahngewinde ausgeführt ist. Das
Schraubenbolzenelement 24 ist mit einem äußeren Sägezahngewinde
versehen, wie nachstehend eingehender beschrieben wird, und
weist ein oberes kuppelförmiges Ende 32 auf, das in die
halbkugelförmige Aussparung 20 des Schwinghebels eingreift. Die
Druckfeder 26 wirkt zwischen einer unteren Fläche des bolzenförmigen
Teils 24 und einem Abstandstück 34, das selbst an dem unteren
geschlossenen Ende 28 des Gehäuses mittels eines reibungsarmen
Lagerelements anliegt, wie z. B. dem dargestellten Kugelende 36.
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Der bis hier beschriebene unabhängige Nachsteller ist
dementsprechend in der Lage, einen konventionellen hydraulischen
Stößel in einer an einem Ende gelagerten Schwinghebelanordnung zu
ersetzen. Obwohl hier nicht dargestellt, sollte es sich doch
verstehen, daß das Schraubenbolzenelement und das Gehäuse eine
ähnliche Anordnung aufweisen können wie die in der GB-A-2033472,
bei der in einer Ausgestaltung das Gehäuse einstückig mit einem
Ende eines Schwinghebels ausgeführt ist und in einer weiteren
Ausgestaltung das Schraubenbolzenelement aus dem ungeteilten
Endteil eines Ventilschaftes besteht.
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Die Sägezahngewindeformen des Schraubenbolzenelements und des
Gehäuses sind so ausgeführt, daß sie eine relativ hohe Reibung
bei axialer Belastung der Schraubengewinde in einer Richtung
aufweisen im Vergleich zu einer relativ geringen Reibung bei
axialer Belastung in der entgegengesetzten Richtung, wobei das
Schraubenbolzenelement rotieren kann und sich axial zum Gehäuse
unter dem axialen Schub der Druckfeder vorbewegt. Das bedeutet,
wie dargestellt, daß die Druckfeder das Schraubenbolzenelement
immer drängt, sich gegenüber dem Gehäuse frei nach oben zu
bewegen.
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Vor der detaillierten Beschreibung der Gewindeformkonfiguration
wird zuerst der Betriebsmodus des Nachstellers unter Bezugnahme
auf die Fig. 2 und 3 dargestellt. Wenn sich der Nocken 12 in
einer Position befindet, die gegenüber der in Fig. 1 um 180
Grad versetzt ist, wird keine ventilbetätigende Last mehr auf
das Schraubenbolzenelement 24 ausgeübt und die Druckfeder 26
stellt daher sicher, daß die Oberflächen der Laufflanken 38 und
40 der Sägezahngewindeformen des Schraubenbolzenelements 24 und
des Gehäuses 22 miteinander in Kontakt sind, wie es in Fig. 2
dargestellt ist. Zwischen den jeweiligen Sperrflankenoberflächen
42 und 44 des Schraubenbolzenelements und des Gehäuses besteht
aus diesem Grund ein Spiel 46 in axialer Richtung, das ein
vorbestimmtes Verhältnis zum erforderlichen Spiel in der
Ventiltriebanordnung aufweist.
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Bei Drehung des Nockens 12 in die Position nach Fig. 1 übt
dieser über den Schwinghebel 14 eine Last auf das
Schraubenbolzenelement 24 aus, die das Schraubenbolzenelement parallel zu
seiner Achse (d. h. vertikal nach unten, wie dargestellt) bewegt,
wodurch ein Freiraum 48 zwischen den Laufflanken 38 und 40
entsteht, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Sperrflankenoberflächen
42 und 44 der Gewinde erhalten dort Kontakt miteinander, wo sie
aufgrund der hohen Reibung zwischen diesen Flächen im
wesentlichen miteinander verkeilt sind, die das Ergebnis der besonderen
Konfiguration der Sägezahngewindeform ist. Eine Drehbewegung des
Schraubenbolzenelements 24 gegenüber dem Gehäuse 22 wird im
wesentlichen durch diese Verkeilung der Sägezahngewindeform
verhindert, so daß Ventilöffnungskräfte vom Nocken über den
Schwinghebel zum Ventilschaft übertragen werden können.
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Auf diese Weise ist das Schraubenbolzenelement 24 immer durch
die Druckfeder 26 in einer Richtung federbelastet, um die
Laufflanken 38 und 40 der Schraubengewinde in Kontakt miteinander zu
bringen. Aufgrund des hohen Steigungswinkels der
Schraubengewinde und aufgrund der Tatsache, daß die Laufflanken der Gewinde
relativ geringen Reibungswiderstand bieten, ist die Feder in der
Lage, das Schraubenbolzenelement zu bewegen, um Spiel in der
Ventiltriebanordnung, wie oben beschrieben, auf zunehmen.
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Es besteht jedoch immer der kontrollierte axiale Spalt zwischen
den zusammenwirkenden Sägezahngewinden und die Größe dieses
Spalts wird gänzlich durch die Toleranzen, mit denen die
zusammenwirkenden Gewinde gefertigt werden, bestimmt. So stellt
dieser axiale Spalt immer sicher, daß das Ventil völlig geschlossen
ist, wenn sich der Nocken an seinem unteren Radiusprofil
befindet, d. h. wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt ist, und wenn
die Nockenbewegung beginnt, das Schraubenbolzenelement von der
in Fig. 2 dargestellten Position aus nach unten in sein Gehäuse
zu drücken, muß sich das Schraubenbolzenelement erst über den
axialen Spalt hinwegbewegen, bevor der Schwinghebel beginnt, das
Ventil zu öffnen.
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Wenn sich das Schraubenbolzenelement 24 über den axialen Spalt
in dieser Weise hinwegbewegt hat, sind die Sperrflanken 42 und
44 der zusammenwirkenden Schraubengewinde miteinander in
Kontakt, und trotz des hohen Steigungswinkels kann es zu keiner
wesentlichen Relativbewegung zwischen den zusammenwirkenden
Schraubengewinden kommen, da das Anheben der Nocke direkt auf
den Schwinghebel zum Öffnen des Ventils übertragen wird.
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Der Mechanismus sollte jedoch in der Lage sein, ein vergrößertes
Spiel zu bilden, d. h. durch Zurückdrehen, falls das Spiel des
Mechanismus unter einen erforderlichen Mindestwert reduziert
ist. Wenn der Nocken Ventilöffnungskräfte ausübt und die
Sperrflanken 42 und 44 des Schraubenbolzenelements und das Gehäuse
sich der Kontaktposition in Fig. 3 nähern, dann besteht infolge
einer kontinuierlichen Ölfilmschmierung für eine sehr kurze Zeit
eine sehr geringe Reibung an den Sperrflanken, und so ruft die
nachfolgende drückende Axialkraft eine geringe Rückdrehbewegung
des Schraubenbolzenelements 24 gegenüber dem Gehäuse 22 in eine
Richtung hervor, die der Richtung, in die die Druckfeder 26
üblicherweise eine Bewegung induziert, entgegengesetzt ist. Die
Dicke des zuvor genannten Ölfilms kann der maximalen Belastung,
die auf den Nachsteller ausgeübt wird, standhalten und die
resultierende geringe Reibung kann zu einer übermäßigen Drehung
des zapfenförmigen Teils gegenüber dem Gehäuse führen, wodurch
wiederum ein übermäßiges Spiel entsteht. So kann eine
fortschreitende Rückdrehung zu einer fortschreitenden
Kollapssituation führen, wenn die Aufnahmefähigkeiten des Nachstellers nicht
ausreichen, um das übermäßige Zurückdrehen in jedem
Ventilöffnungszyklus zu überwinden.
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Erfindungsgemäß sind daher die Sperrflanken 42 und 44 der
zusammenwirkenden Gewinde des Schraubenbolzenelements und des
Gehäuses so ausgeführt, daß sie nicht in der Lage sind, ein
berührendes inniges Aneinanderlegen auszuführen.
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Theoretische Analysen haben ergeben, daß die Zeit, die es
braucht, um einen Ölfilm zwischen sich annähernden Flächen zu
dispergieren, proportional der vierten Potenz der Breite der sich
annähernden Fläche ist, und solch eine sich annähernde Fläche
kann mit der Breite der Sperrflanke 42 im erfindungsgemäßen
Nachsteller gleichgesetzt werden. Falls die Sperrflankenbreite
klein genug ist, um das Entfernen des Ölfilms wirksam
sicherzustellen, ist es möglich, daß es zu übermäßigem Verschleiß an den
Sperrflankenflächen des Schraubenbolzenelements und/oder des
Gehäuses kommt. Daher ist die Sperrflanke 42 des bolzenförmigen
Teils in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung
schraubenförmig genutet, wie in den Zeichnungen dargestellt, wodurch die
Breite der Sperrflanke 42 des bolzenförmigen Teils wirksam
reduziert wird, d. h. die Sperrflankenbreite entspricht der Größe der
Oberflächenbreite jedes Steges zwischen jedem Paar benachbarter
Nuten. Durch Bildung mehrerer solcher Stege, d. h. vieren pro
Sperrflanke, wie dargestellt, wird die Verschleißrate im
Nachsteller gesenkt.
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Die Reduzierung der Sperrflankenkontaktflächen zwischen der
Schraube 24 und dem Gehäuse 26 ermöglicht es den genannten
Stegen, in der dargestellten Sperrposition die bei der Anwendung
auftretenden Ölfilmschmierung wirksam zu durchbrechen und die
erwünschten Hochreibungsverhältnisse zu schaffen, die zum
Sperren führen und einen unerwünschten Grad an Rückdrehung
verhindern.
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So sichert ein mechanischer automatischer Spielnachsteller mit
zusammenwirkenden Gewindeformen zwischen dem bolzenförmigen und
dem hülsenförmigen Teil gemäß der Erfindung eine erhöhte
Leistung der Sperrflanken, indem der Anpressdruck zwischen den
Flanken zugunsten eines größeren Reibungsmomentes erhöht und der
Kontakthalbmesser zugunsten eines reduzierten Steigungswinkels
vergrößert wird. Ein weiterer Nutzen, der sich aus einer
Gewindeform gemäß der Erfindung ergibt, besteht in der Bildung eines
Ölreservoirs im ringförmigen hinterschnittenen Raum 50 unterhalb
der genuteten Sperrflanke 42, wobei es den Sperrflanken 42 und
44 in diesem Raum 50 nicht möglich ist, ein inniges
Aneinanderlegen zu vollziehen, wodurch wiederum der Schmierölfluß zu den
Laufflanken 38 und 40 verstärkt wird. Der genannte Raum 50
bildet auch einen schraubenförmigen Druckentlastungsweg, der Öl
abfließen läßt und auf diese Weise verhindert, daß Öl im unteren
Teil des blind endenden Gehäuses eingeschlossen wird. Außerdem
macht die reduzierte Breite der Sperrflanke, die durch das
Vorsehen des hinterschnittenen Abschnitts entsteht, das Spiel im
Nachsteller weniger abhängig von Fehlern bei der Herstellung der
Gewindeflankenwinkel.