DE102009059712A1 - Nockeneinheit für eine gebaute Nockenwelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nockeneinheit (1) zur drehfesten und axial verschiebbaren Anordnung auf einem Nockenwellengrundkörper (2) einer Nockenwelle, umfassend einen rohrförmigen Hülsengrundkörper (11) sowie zumindest ein auf dem Hülsengrundkörper (11) dreh- und verschiebefest angeordnetes Nockenelement (12). Gemäß der Erfindung sind der Hülsengrundkörper (11) und das zumindest eine Nockenelement (12) als separiert hergestellte und nachträglich montierte Einzelteile ausgebildet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine (gebaute) Nockeneinheit zur drehfesten und axial verschiebbaren Anordnung auf einem Nockenwellengrundkörper einer (gebauten bzw. aufzubauenden) Nockenwelle. Darüber hinaus umfasst die Erfindung eine Nockenwelle mit einem Nockenwellengrundkörper und einer drehfest und axial verschiebbar auf den Nockenwellengrundkörper angeordneten Nockeneinheit gemäß dem Hauptanspruch. Des Weiteren ist von der Erfindung ein Nockenwellenmodul umfasst, welches in einer zumindest teilumfänglich geschlossenen Lagereinrichtung eine gebaute Nockenwelle mit einem antreibbaren Nockenwellengrundkörper und mit zumindest einer auf dem Nockenwellengrundkörper axial verschiebbar und drehfest gelagerten Nockeneinheit gemäß dem Hauptanspruch trägt.
  • Aus der DE 10 2004 011 586 A1 ist ein Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine bekannt, der mindestens eine Nockenwelle aufweist, auf der drehfest und axial verschiebbar mindestens ein Nockenträger angeordnet ist. Dabei sind zwischen der Nockenwelle und dem mindestens einen Nockenträger Mittel zum Aufbringen einer axialen Spannkraft ausgebildet, durch welche der mindestens eine Nockenträger axial in der Lageraufnahme fixiert ist. Der vorgeschlagene Nockenträger weist mindestens einen Nocken auf, auf dem mindestens zwei unterschiedliche Nockenlaufbahnen ausgebildet sind, und ist zur Lagerung von einem zylinderkopffesten Nockenwellenlager umgeben. Der vorgeschlagene Nockenträger besteht dabei im Wesentlichen aus insgesamt drei Bauteilen, einem axialen Grundkörper samt integrierter, beidseitiger Nocken sowie aus jeweils einem an beiden freien Enden des Grundkörpers aufgepressten Laufbahnprofil.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nockeneinheit (im Folgenden auch als gebaute Nockeneinheit bezeichnet) zu schaffen, wodurch zum einen die Nockeneinheit, und in entsprechenden Weiterbildungen auch eine eine derartige (gebaute) Nockeneinheit tragende (gebaute) Nockenwelle sowie ein entsprechendes eine derartige (gebaute) Nockenwelle aufweisendes Nockenwellenmodul im Hinblick auf Fertigungskosten sowie die funktionellen Anforderungen an eine derartige (gebaute) Nockeneinheit zu optimieren.
  • Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Nockeneinheit (weiter) in einzelne vorgefertigte Einzelbauteile zu unterteilen derart, dass diese Einzelbauteile auf vereinfachte Weise gefertigt und in ihren technischen Anforderungen, insbesondere durch unterschiedliche Werkstoffeigenschaften, optimal ausgestaltet werden können. Des Weiteren soll durch den modularen Aufbau einer derartigen „gebauten” Nockeneinheit für eine „gebaute” Nockenwelle die Montage eines Nockenwellenmoduls mit einer derartig aufgebauten (gebauten) Nockenwelle im Hinblick auf den Einbau der Nockenwelle in die zumindest teilumfänglich geschlossene Lageraufnahme (Lagerbock oder Lager- bzw. Leiterrahmen oder dergleichen) des Nockenwellenmoduls vereinfacht werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Gemäß Patentanspruch 1 wird vorgeschlagen, eine Nockeneinheit (im Sinne einer sogenannten „schaltbaren Nocke” mit zumindest zwei, einem gemeinsamen Nockenfolger zugeordneten unterschiedlichen Nockenlaufbahnprofilen) für die drehfeste und axial verschiebbare Anordnung auf einen Nockenwellengrundkörper einer gebauten Nockenwelle anzugeben, wobei die Nockeneinheit zumindest einen rohrförmigen Hülsengrundkörper sowie zumindest ein auf dem Hülsengrundkörper dreh und verschiebefest angeordnetes Nockenelement aufweist. Dabei sind gemäß der Erfindung der Hülsenkörper als auch das zumindest eine Nockenelement als separat hergestellte Einzelteile ausgebildet. Mit Vorteil ist das Nockenelement mehrteilig ausgebildet und weist zumindest zwei einzelne, axial benachbart angeordnete und einem gemeinsamen Nockenfolger zugeordnete, Scheibenelemente mit unterschiedlichen Nockenlaufbahnprofilen (Umfangsprofilen) auf. Alternativ kann das Nockenelement einteilig ausgebildet sein, wobei es umfänglich derart konturiert ist, dass axial nebeneinander mehrere Nockenlaufbahnprofile ausgebildet sind. In der nachfolgenden Beschreibung wird unter einem Nockenelement sowohl ein einteiliges Nockenelement mit mehreren Nockenlaufbahnprofilen verstanden, als auch jeder einzelne Scheibenkörper eines mehrteiligen Nockenelements als Nockenelement bezeichnet. In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, auch ein separat gefertigtes Laufbahnelement mit dem Hülsengrundkörper der Nockeneinheit zu verbinden. Hierdurch kann auf einfache Weise gewährleistet werden, dass die einzelnen Bauteile, wie Hülsengrundkörper, Nockenelement(e) als auch Laufbahnelemente aus unterschiedlichen Materialien oder unterschiedlichen Materialzusammensetzungen des gleichen Materials gefertigt werden können. Darüber hinaus können die einzelnen Bauteile auch durch weitere separate Bearbeitung derselben in ihren Eigenschaften individuell verbessert und im Hinblick auf ihre jeweilige Funktion individuell angepasst und optimiert werden. So kann beispielsweise ein aus einem einfachen Baustahl (z. B. St52-3, 40MnB5, 26MnB5, C60, CF53 o. d.) hergestellter Hülsengrundkörper ein aus einem geschmiedeten speziellen und (z. B. induktiv) gehärteten Stahl hergestelltes oder ein aus einem Sintermetall bestehendes Nockenelement tragen. Auch ein mit dem Hülsengrundkörper zu verbindendes Laufbahnelement kann aus einem entsprechend weiterbehandelten (z. B. nitrierten) Stahl oder aus einem Sintermetall bestehend hergestellt sein und mit dem aus einem anderen Stahl bestehenden (oder aus einem anderen Material oder aus einer anderen Materialzusammensetzung bestehenden) Hülsengrundkörper verbunden werden.
  • Um die Herstellungskosten entsprechend zu reduzieren, sind die separat hergestellten Laufbahnelemente und die bzw. der mit einer Innenverzahnung versehene Hülsengrundkörper aus einem herkömmlichen Baustahl hergestellt. Die Nockenelemente sind vorzugsweise gemäß einem Standardherstellungsprozess für gebaute Nockenwellen geschmiedet ausgebildet. Um die funktionellen Anforderungen an die einzelnen Bauteile optimal erfüllen zu können, sind die Laufbahnelemente mit Vorteil (induktiv) gehärtet und insbesondere nitriert ausgebildet, während die Schmiedenocken in einem weiteren Bearbeitungsschritt insbesondere induktiv oder anderweitig gehärtet werden können. Die Verbindung zwischen den einzeln separat hergestellten und zu einer Nockeneinheit zu montierenden Bauteilen, kann über eine Pressverbindung, einen Formschluss, ein Lot-, Klebe- oder Schweißverbindung oder eine beliebige Kombination der genannten Verbindungsmöglichkeiten erfolgen.
  • Mit von der Erfindung umfasst sind des Weiteren eine gebaute Nockenwelle mit einem Nockenwellengrundkörper (der ganz oder abschnittweise weich, gehärtet und/oder nitriert ausgebildet sein kann) und einer drehfest und axial verschiebbar auf dem Nockenwellengrundkörper angeordneten Nockeneinheit (welche ebenfalls ganz oder teilweise weich, gehärtet und/oder nitriert ausgebildet sein kann) wie sie gemäß vorstehender Ausführungen aufgebaut bzw. gefertigt wurde.
  • Des Weiteren von der Erfindung mit umfasst, ist ein Nockenwellenmodul mit einer Lagereinrichtung mit Lageraufnahmen zur drehbaren Lagerung der gebauten Nockenwelle, wobei die gebaute Nockenwelle vom vorstehend beschriebenen Typ ist.
  • In der besonders bevorzugten Ausführungsform des Nockenwellenmoduls ist die Montage und Lagerung einer gebauten Nockenwelle in geschlossenen Lagerböcken oder in einer sogenannten geschlossenen Lagergasse vorgesehen. Unter einer derartig geschlossenen Lagergasse wird im Sinne der Erfindung eine Lageraufnahme/Lagerung verstanden, die teilumfänglich oder vollumfänglich geschlossen ausgebildet ist derart, dass eine Montage des Nockenwellengrundkörpers bzw. der Nockenwelle nur durch seitliches Einschieben des Nockenwellengrundkörpers möglich ist. Ein Einlegen der Nockenwelle, quer zur Drehachse derselben, in eine entsprechende Lageraufnahme, ist bei derartigen Lageraufnahmen nicht möglich. Die Montage von gebauten Nockenwellen in einen einteiligen Lagerbock bzw. in einen einteiligen Leiterrahmen oder in eine geschlossene Lagerung einer Zylinderkopfhaube (monolithe Zylinderkopfhaube) o. d. ist aufgrund des engen Bauraums und des dadurch komplizierten Montageprozesses in der Regel sehr problematisch. Im bekannten Stand der Technik wurde dieses Problem in der Regel umgangen, indem der Leiterrahmen bzw. dessen Lageraufnahmen als mehrteilige separate Komponenten für eine sogenannten „offene Lageraufnahme” (in die eine Nockenwelle quer zur Lager- zw. Drehachse eingelegt werden kann) ausgeführt worden sind. In anderen aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen wurde das Nockenwellenlager in seinem Innendurchmesser derart erweitert, dass die Nockenwelle sich einschließlich der darauf angeordneten Nocken und Funktionselemente axial (seitlich eingeschoben) in einem Stück montieren ließ (sog. Tunnellagerung). Im ersteren Fall ist regelmäßig eine erhöhter Fertigungs- und Montageaufwand unvermeidbar. Im letztgenannten Fall führt die Vergrößerung des Lagerdurchmessers zu einer erhöhten Reibung im Ventiltrieb und einer damit verbundenen negativen Auswirkung hinsichtlich des erforderlichen Bauraums. Bei dem vorgeschlagenen Nockenwellenmodul zeichnet sich der Hülsengrundkörper der Nockeneinheit dadurch aus, dass dieser ausgehend von einem seiner beiden freien Enden zumindest bereichsweise in seinem Außendurchmesser derart an den Innendurchmesser der Lagereinrichtung angepasst ist, dass ein seitliches Einschieben des Hülsengrundkörpers in die geschlossene Lageraufnahme gewährleistet ist. In einer Weiterbildung des Nockenwellenmoduls ist die Nockeneinheit zumindest bereichsweise in ihrem Außendurchmesser derart an den Innendurchmesser der Lagereinrichtung angepasst, dass eine Gleitlagerung zwischen Hülsengrundkörper und Lageraufnahme gewährleistet ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungsfiguren für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Nockeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung in einer möglichen ersten Ausführungsform, und
  • 2a–2d einzelne Montageschritte einer erfindungsgemäßen Nockeneinheit in eine umfänglich zumindest teilweise bzw. vollumfänglich geschlossene Lageraufnahme einer Brennkraftmaschine.
  • 1 zeigt eine Nockeneinheit 1 mit einem rohrförmigen Hülsengrundkörper 11 der an seinen beiden freien Enden (endseitig) jeweils ein Laufbahnelement 13 sowie beidseitig nach innenbenachbart jeweils zwei einzelne Scheibenelemente (im Folgenden auch als Nockenelemente 12 bezeichnet) trägt. Dabei sind sowohl der Hülsengrundkörper 11 als auch die einzelnen Nockenelemente 12 und die beidseitigen Laufbahnelemente 13 als einzelne separate Bauteile hergestellt. Die einzelnen Bauteile werden innerhalb von verschiedenen Montageschritten zu einer erfindungsgemäßen Nockeneinheit (die auch als sog. „schaltbare Nocke” mit unterschiedlichen Nockenbahnen bezeichnet wird) zusammengebaut. Bei der fertig zusammengebauten Nockeneinheit 1 sind die einzelnen Bauteile, wie Hülsengrundkörper 11, Nockenelement 12 und Laufbahnelement 13 derart miteinander verbunden, dass zwischen dem Hülsengrundkörper 11 und den auf diesem zu befestigenden Bauteilen 12, 13 eine dreh und verschiebefeste Verbindung realisiert ist. Die an jeweils einem freien Ende angeordneten bzw. diesem zugeordneten verschiedenen Nockenelemente 11 weisen unterschiedliche Nockenbahnen bzw. Laufbahnprofile auf. So ist im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils das axial links auf dem Hülsengrundkörper 11 angeordnete Nockenelement 12 beispielsweise als Nockenelement 12 zur Zylinderabschaltung mit einem dem Grundkreisdurchmesser entsprechenden, umfänglich gleichbleibendem (Null-)Hub ausgebildet, während das axial rechts daneben angeordnete Nockenelement 12 einen entsprechend ausgebildeten Hub zur gesteuerten, zeitweisen Öffnung von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine aufweist. Zur axialen Verschiebung der Nockeneinheit 1 auf einem Nockenwellengrundkörper 2 einer gebauten Nockenwelle, können der Hülsengrundkörper 11 als auch der Nockenwellengrundkörper 2 zumindest bereichsweise entsprechend miteinander korrespondierende Profile (insbesondere Vielzahnprofile), aufweisen, sodass eine drehfeste und axial verschiebbare Lagerung der Nockeneinheit auf dem Nockenwellengrundkörper 2 gewährleistet ist. Um die Nockeneinheit 1 auf dem Nockenwellengrundkörper 2 axial verschieben zu können, wirken die beidseitig am Hülsengrundkörper 11 angeordneten Laufbahnelemente 13 mit radial zum Hülsengrundkörper 11 angeordneten (und ortsfest in der Brennkraftmaschine angeordneten) nicht dargestellten Stiftelementen zusammen, sodass bei Eingriff eines derartigen Stiftelementes mit einer Laufbahn eines entsprechenden Laufbahnelementes 13 die Nockeneinheit 1 auf dem Nockenwellengrundkörper 2 in die entsprechende axiale Richtung verschiebbar ist. Auf dem Hülsengrundkörper 11 sind beidseitig lediglich eine begrenzte Anzahl von Funktionselementen anordenbar, sodass im mittleren Bereich des Hülsgrundkörpers 11 dieser in einer brennkraftmaschinenseitig befestigten Lageraufnahme LA axial verschiebbar angeordnet ist bzw. anordenbar ist. Zur axialen Positionierung der Nockeneinheit 1 weist der Hülsengrundkörper 11 auf seiner inneren Oberfläche vorzugsweise umfänglich verlaufende Zähne bzw. Nuten für den Eingriff eines im Nockenwellengrundkörper 2 in radialer Richtung gegen eine Federkraft gelagerten Kugelelementes auf. Auf diese Weise kann die Nockeneinheit 1 in unterschiedlichen axialen Positionen, in denen die Nockeneinheit 1 jeweils entweder mit ihrem linken Nockenelement 12 oder mit ihrem in axialer Richtung rechts daneben angeordneten rechten Nockenelement 12 mit einem entsprechenden Nockenfolger (nicht dargestellt) zur Betätigung von einlass- oder auslassseitig zu betätigenden Gaswechselventilen zusammenwirkt, vorübergehend und durch eine axial auf die Nockeneinheit wirkende Kraft aufhebbar fixiert.
  • In den 2a–2d wird die Montage der erfindungsgemäßen Nockeneinheit 1 in eine teilumfänglich oder vollumfänglich geschlossene Lageraufnahme zur Lagerung der gebauten Nockenwelle veranschaulicht. Gemäß 2a wird eine erste Ausführungsform einer Nockeneinheit 1 aus einzeln vorgefertigten Bauteilen vormontiert und zur Montage in einer umfänglich geschlossenen Lageraufnahme LA bereit gestellt. Die in 2a dargestellte Nockeneinheit 1 kann in einer möglichen Ausführungsform bereits eine fertig montierte und in die Lageraufnahme LA einzuschiebende Nockeneinheit 1 darstellen. Im nachfolgend geschilderten Montageprozess zur Lagerung einer axial seitlich in eine geschlossene Lageraufnahme LA einschiebbaren Nockenwelle, stellt die dargestellte Nockeneinheit 1 lediglich ein vormontiertes Halbzeug dar. Hierbei weist die Nockeneinheit 1 auf ihrem Hülsengrundkörper 11 linksseitig an ihrem freien Ende ein Laufbahnelement 13 sowie rechts daneben angeordnet zwei einzelne Nockenelemente 12 mit unterschiedlichen Nockenbahnprofilen auf. Dabei sind die einzelnen Funktionselemente 12, 13 kraftschlüssig oder kraftformschlüssig auf dem Hülsengrundkörper 11 angeordnet. In einem weiteren Montageschritt gemäß 2b wird das vormontierte Halbzeug seitlich in eine umfänglich geschlossene Lageraufnahme LA eingeschoben. Hierfür weisen der Hülsengrundkörper 11 der Nockeneinheit 1 zumindest bereichsweise einem Außendurchmesser dNE und die Lageraufnahme LA einen hieran angepassten Innendurchmesser dLA auf, dass ein seitliches Einschieben des Hülsengrundkörpers 11 (sowie mit Vorteil eine Gleitlagerung zwischen den beiden Teilen) in die (der) Lageraufnahme LA gewährleistet ist. In einem nächsten Montageschritt (2c) wird die seitlich eingeschobene Nockeneinheit 1 an ihrem freien Ende insbesondere spiegelsymmetrisch zu der bereits vormontierten Seite mit entsprechenden Funktionselementen 12, 13 bestückt. Schließlich ist in 2d das fertig montierte Nockenmodul ausschnittsweise am Beispiel einer fertig montierten Lagerstelle LA dargestellt. Hierbei ist der Nockenwellengrundkörper 2 bereits axial seitlich in den vormontierten Hülsengrundkörper 11 eingeschoben und mit seinem in radialer Richtung wirkenden Kugelfederelement in einer entsprechenden ringförmigen Innennut des Hülsengrundkörpers 11 axial fixiert angeordnet. Der beschriebene Montageprozess zur Montage einer erfindungsgemäßen Nockeneinheit 1 in einer geschlossenen Lageraufnahme LA kann je nach Bedarf für andere Lagerstellen LA entsprechend wiederholt werden. In diesem Fall wird das Einschieben des Nockenwellengrundkörpers 2 gemäß 2d erst nach Montage einer weiteren Nockeneinheit 1 in einer entsprechenden Lageraufnahme LA erfolgen.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004011586 A1 [0002]

Claims (13)

  1. Nockeneinheit (1) zur drehfesten und axial verschiebbaren Anordnung auf einem Nockenwellengrundkörper (2), umfassend – einen rohrförmigen Hülsengrundkörper (11), sowie – zumindest ein auf dem Hülsengrundkörper (11) dreh- und verschiebefest angeordnetes Nockenelement (12), wobei der Hülsengrundkörper (11) und das zumindest eine Nockenelement (12) als separiert hergestellte und nachträglich montierte Einzelteile ausgebildet sind.
  2. Nockeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenelement (12) einteilig, eine Mehrzahl von axial benachbarten Nockenlaufbahnen aufweisend ausgebildet ist
  3. Nockeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenelement (12) mehrteilig, einzelne axial benachbart angeordnete Scheibenkörper aufweisend ausgebildet ist.
  4. Nockeneinheit nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1–3, gekennzeichnet durch – zumindest ein auf dem Hülsengrundkörper (2) dreh- und verschiebefest angeordnetes und als separiert hergestelltes und nachträglich montiertes Laufbahnelement (13).
  5. Nockeneinheit nach Anspruch 4, gekennzeichnet, dass – das Laufbahnelement (13) aus Stahl, insbesondere einem nitrierten Stahl, oder aus einem Sintermetall besteht.
  6. Nockeneinheit nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Hülsengrundkörper (11) und das zumindest eine Nockenelement (12) aus unterschiedlichen Materialien oder unterschiedlichen Zusammensetzungen von gleichen Materialien bestehen.
  7. Nockeneinheit nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Hülsengrundkörper (11) aus Stahl besteht.
  8. Nockeneinheit nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Nockenelement (12) aus einem geschmiedeten und gehärteten Stahl oder aus einem Sintermetall besteht.
  9. Nockenwelle mit einem Nockenwellengrundkörper (2) und einer drehfest und axial verschiebbar auf dem Nockenwellengrundkörper (2) angeordneten Nockeneinheit (1) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1–6.
  10. Nockenwellenmodul umfassend – eine Lagereinrichtung mit zumindest einer Lageraufnahme (LA) zur drehbaren Lagerung einer gebauten Nockenwelle, – eine gebaute Nockenwelle mit einem antreibbaren Nockenwellengrundkörper (2) und mit zumindest einer Nockeneinheit (1) gemäß einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 1–6, – wobei der Hülsengrundkörper (11) der zumindest einen Nockeneinheit (1) zur Lagerung der Nockenwelle von zumindest einer Lageraufnahme (LA) umfasst ist.
  11. Nockenwellenmodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – die Lageraufnahme (LA) als teilumfänglich oder vollumfänglich geschlossene Lageraufnahme (LA) ausgebildet ist, derart, dass eine Montage des Nockenwellengrundkörpers (2) bzw. der Nockenwelle nur durch axiales, seitliches Einschieben des Nockenwellengrundkörpers (2) in die Lageraufnahme (LA) möglich ist.
  12. Nockenwellenmodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 10–11, dadurch gekennzeichnet, dass – der Hülsengrundkörper (11) der Nockeneinheit (1) zumindest bereichsweise in seinem Außendurchmesser (dNE) derart an den Innendurchmesser (dLA) der Lageraufnahme (LA) angepasst ist, dass ein seitliches Einschieben des Hülsengrundkörpers (11) in die Lageraufnahme (LA) gewährleistet ist.
  13. Nockenwellenmodul nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – der Hülsengrundkörper (11) der Nockeneinheit (1) zumindest bereichsweise in seinem Außendurchmesser (dNE) derart an den Innendurchmesser (dLA) der Lageraufnahme (LA) angepasst ist, dass eine Gleitlagerung zwischen Hülsengrundkörper (11) und Lageraufnahme (LA) gewährleistet ist.
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