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GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Motornockenwellen und insbesondere eine leichtgewichtige Nockenwellenbaugruppe.
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HINTERGRUND
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Dieser Abschnitt liefert auf die vorliegende Offenbarung bezogene Hintergrundinformationen, die nicht notwendigerweise Stand der Technik darstellt.
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Eine Motor-Nockenwellenbaugruppe kann mehrere Vorsprünge aufweisen, z. B. Nocken und Haupt-Lagerungshalterungen oder Wellenzapfen, die an der Außenfläche eines hohlen Rohres angeordnet sind. Während des Betriebs des Motors wird die Nockenwellenbaugruppe gedreht, und die Nocken wirken derart, dass die Einlass- und/oder Auslassventile des Motors geöffnet werden. Die Wellenzapfen liefern die Lagerungsfläche für die Halterung der Nockenwellenbaugruppe des Motors. Die Masse der Nockenwelle beeinflusst die Effizienz eines Motors und in dem Fall von Kraftfahrzeugen die Kraftstoffwirtschaftlichkeit. Daher versuchen Motorkonstrukteure typischerweise, die Masse der Nockenwellenbaugruppe durch verschiedene Mittel zu verringern.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Dieser Abschnitt liefert eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung, und sie ist keine umfassende Offenbarung ihres vollständigen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
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Eine Nockenwellenbaugruppe kann eine Welle und eine Nockenbaugruppe aufweisen, die mit dieser gekoppelt ist. Die Nockenbaugruppe kann eine hohle Struktur mit einer Innenfläche und einer Außenfläche umfassen, wobei mehrere Vorsprünge an der Außenfläche vorhanden sind. Die Innenfläche kann eine Aussparung definieren, die mit zumindest einem von den mehreren Vorsprüngen axial ausgerichtet ist. Zumindest einer von den mehreren Vorsprüngen kann einen Hinterschnittabschnitt aufweisen.
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Eine Motorbaugruppe kann eine Motorstruktur und eine Nockenwellenbaugruppe umfassen. Die Nockenwellenbaugruppe kann eine Welle und eine Nockenbaugruppe aufweisen, die mit dieser gekoppelt ist. Die Nockenbaugruppe kann eine hohle Struktur mit einer Innenfläche und einer Außenfläche umfassen, wobei mehrere Vorsprünge an der Außenfläche vorhanden sind. Die Innenfläche kann eine Aussparung definieren, die mit zumindest einem von den mehreren Vorsprüngen axial ausgerichtet ist. Zumindest einer von den mehreren Vorsprüngen kann einen Hinterschnittabschnitt aufweisen.
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Ein Verfahren zum Montieren einer Nockenwellenbaugruppe kann umfassen, dass eine Welle bereitgestellt wird und eine Nockenbaugruppe gebildet wird. Die Nockenbaugruppe kann eine hohle Struktur mit einer Innenfläche und einer Außenfläche umfassen, wobei mehrere Vorsprünge an der Außenfläche vorhanden sind. Die Innenfläche kann eine Aussparung definieren, die mit zumindest einem von den mehreren Vorsprüngen axial ausgerichtet ist. Zumindest einer von den mehreren Vorsprüngen kann einen Hinterschnittabschnitt aufweisen. Die Nockenbaugruppe kann mit der Welle gekoppelt werden.
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Weitere Anwendungsgebiete werden anhand der hierin vorgesehenen Beschreibung offensichtlich werden. Die Beschreibung und die speziellen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur zu Darstellungszwecken gedacht und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Darstellungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
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1 ist eine Perspektivansicht einer beispielhaften Nockenwellenbaugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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2 ist eine Querschnittsansicht der Nockenwellenbaugruppe, die in 1 gezeigt ist;
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3 ist eine Perspektivansicht einer beispielhaften Nockenbaugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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4 ist eine Perspektivansicht einer beispielhaften Nockenbaugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
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5 ist eine teilweise Explosions-Perspektivansicht einer beispielhaften Nockenwellenbaugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
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6 ist eine schematische Schnittansicht einer Motorbaugruppe mit einer beispielhaften Nockenwellenbaugruppe gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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Entsprechende Bezugszeichen geben überall in den verschiedenen Zeichnungsansichten entsprechende Teile an.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Beispiele der vorliegenden Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen vollständiger beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung ist nur beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendungsmöglichkeit oder Verwendungen nicht einschränken.
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Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Nockenwellenbaugruppe 10 dargestellt. Die Nockenwellenbaugruppe 10 weist eine Welle 12 und zumindest eine Nockenbaugruppe 14 auf. In dem in 1 dargestellten Beispiel weist die Nockenwellenbaugruppe 10 fünf Nockenbaugruppen 14 auf, die entlang der axialen Länge L der Welle 10 verteilt sind. Jede Nockenbaugruppe 14 kann einen oder mehrere Vorsprünge 16 aufweisen. Die Vorsprünge 16 der Nockenwellenbaugruppe 10 können, als ein nicht einschränkendes Beispiel, Nocken sein, die verwendet werden, um derart zu arbeiten, dass sie die Einlass- und/oder Auslassventile eines Motors öffnen, wie es wohlbekannt ist, und/oder sie können Wellenzapfen sein, die als Haupt-Lagerungshalterungen für die Nockenwellenbaugruppe 10 verwendet werden. In dem in 1 dargestellten Beispiel weisen die Nockenbaugruppen 14 an jedem Ende der Nockenwellenbaugruppe 10 jeweils zwei Vorsprünge 16 auf (einen Nocken und einen Wellenzapfen), während die drei Nockenbaugruppen 14 in der Mitte der Nockenwellenbaugruppe jeweils drei Vorsprünge aufweisen (zwei Nocken und einen Wellenzapfen).
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Wie in 2 zu sehen ist kann die Nockenbaugruppe 14 eine hohle Struktur sein, z. B. ein zylindrisches Rohr, das eine Außenfläche 17 und eine Innenfläche 19 aufweist. Die Vorsprünge 16 können an der Außenfläche 17 vorhanden sein und sich von dieser erstrecken. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel können sowohl die Innen- als auch die Außenfläche 17, 19 derart profiliert sein, dass die Gesamtmasse der Nockenbaugruppe 14 und der zugeordneten Nockenwellenbaugruppe 10 verringert sein kann.
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Wie vorstehend beschrieben ist, können einer oder mehrere Vorsprünge 16 von der Außenfläche 17 der Nockenbaugruppe 14 hervorstehen. Um eine Verringerung der Masse der Nockenbaugruppe 14 zu erreichen, können alle oder eine Teilmenge der Vorsprünge 16 einen Hinterschnittabschnitt 16U aufweisen. Der Hinterschnittabschnitt 16U kann derart konstruiert sein, dass die axiale Länge 16L entlang der Kontaktfläche 16C des Vorsprungs 16 größer als die axiale Länge 16L' entlang der Außenfläche 17 der Nockenbaugruppe 14 ist. Ferner kann die Höhe des Hinterschnittabschnitts 16H vergrößert werden, um die Massenverringerung zu maximieren, während die Stärke, die strukturelle Integrität und das Leistungsverhalten des Vorsprungs 16 und der Nockenbaugruppe 14 aufrechterhalten werden.
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Die Innenfläche 19 kann auch profiliert sein, um die Masse der Nockenbaugruppe 14 zu verringern. Wie in 2 zu sehen ist, können beispielsweise alle oder eine Teilmenge der Vorsprünge 16 eine Aussparung 15 aufweisen, die in der Innenfläche 19 der Nockenbaugruppe 14 gebildet ist und durch diese definiert wird. Die Aussparung 15 kann mit ihrem zugeordneten Vorsprung 16 axial ausgerichtet sein. Die Aussparung 15 kann ein Aussparungstiefe 15D aufweisen, die vergrößert werden kann, um die Massenverringerung zu maximieren, während die Stärke, die strukturelle Integrität und das Leistungsverhalten des Vorsprungs 16 und der Nockenbaugruppe 14 aufrechterhalten werden. Die Aussparungstiefe 15D kann entlang des Umfangs der Nockenbaugruppe 14 derart variieren, dass eine weitere Massenverringerung der Nockenbaugruppe 14 erreicht werden kann. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Aussparungstiefe 15D derart variieren, dass eine im Wesentlichen konstante Materialdicke 15H zwischen der Aussparungs-Innenfläche 15C und der Kontaktfläche 16C des Vorsprungs 16 aufrechterhalten wird.
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Unter Bezugnahme auf 3 und 4 sind die Nockenbaugruppen 14 an jedem Ende der Nockenwellenbaugruppe 10 dargestellt. Gemäß den nicht einschränkenden Beispielen von 3 und 4 können die Nockenbaugruppen 14 eine oder mehrere Kopplungsöffnungen 140 aufweisen. Die Kopplungsöffnungen 140 können beispielsweise verwendet werden, um die montierte Nockenwellenbaugruppe 10 mit einer Motorbaugruppe zu koppeln. Die Kopplungsöffnungen 140 können hohle Aussparungen sein, die sich axial zumindest teilweise durch einen Vorsprung 16 erstrecken. Um die Kopplungsöffnungen 140 unterzubringen, kann die Aussparung 15 in dem Vorsprung 16, durch den sich die Kopplungsöffnungen 140 erstrecken, durch nicht ausgesparte Abschnitte 150 unterbrochen sein und diese umfassen. Die nicht ausgesparten Abschnitte 150 können durch die Innenfläche 19 der Nockenbaugruppe 14 definiert sein. Auf diese Wiese können die Kopplungsöffnungen 140 strukturell unbeeinflusst sein, obwohl die Masse des Vorsprungs 16 ebenso dadurch verringert wird, dass dieser an geeigneten Orten eine Aussparung 15 aufweist.
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Unter Bezugnahme auf 5 ist eine beispielhafte Nockenwellenbaugruppe 10 dargestellt. Die Welle 12 kann eine hohle Struktur umfassen, wie beispielsweise ein Stahlrohr, das physikalisch mit der Nockenbaugruppe 14 gekoppelt sein kann. Die Welle 12 kann in einer oder mehrere hohle Nockenbaugruppen 14 eingefügt werden und mit der Innenfläche 19 in Reibungseingriff stehen, wie beispielsweise durch das Aufweitungsverfahren mittels Kugel, das nachstehend vollständiger beschrieben ist. Auf diese Weise können die Nockenbaugruppe 14 und die Welle 12 gekoppelt sein, um sich zusammen zu drehen.
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Ein beispielhaftes Verfahren zum Herstellen einer Nockenwellenbaugruppe, wie beispielsweise der Nockenwellenbaugruppe 10, die vorstehend beschrieben ist, wird wie folgt beschrieben. Es kann eine Welle 12 bereitgestellt werden. Die Welle 12 kann eine hohle Rohrstruktur umfassen, wie vorstehend beschrieben ist. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel kann die Welle 12 eine dünnwandige Rohrstruktur sein, die ausgestaltet ist, um die Masse der Welle 12 zu verringern, während gleichzeitig die Stärke, die strukturelle Integrität und das Leistungsverhalten der Nockenwellenbaugruppe 10 aufrechterhalten wird.
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Es kann eine Nockenbaugruppe 14 gebildet werden. Gemäß einem ersten nicht einschränkenden Beispiel kann die Nockenbaugruppe 14 durch einen Feingussprozess gebildet werden. Der Feingussprozess kann den Schritt umfassen, dass ein Feinguss in einer Hülle aus einer Keramik oder einem ähnlichen Material gebildet wird. Die Hülle kann mit einem geschmolzenen Material gefüllt werden, z. B. mit Stahl, das zum Bilden der Nockenbaugruppe 14 verwendet wird. Bei dem Abkühlen des Materials kann die Hülle z. B. durch Hämmern, durch Vibration, durch ein chemisches Entfernen oder durch einen anderen Prozess entfernt werden. Alternativ kann die Hülle bei dem Abkühlen beginnen, von der Nockenbaugruppe 14 abzubrechen und abzufallen. Im Vergleich zu anderen Gussprozessen verringert die Genauigkeit eines Feinguss das Ausmaß an Nachbearbeitung, um die Nockenbaugruppe 14 zu vervollständigen. Gemäß einem zweiten nicht einschränkenden Beispiel kann die Nockenbaugruppe 14 durch einen Pulvermetallurgieprozess (”PM-Prozess”) gebildet werden. Mit einem PM-Prozess kann jedoch die Kopplung der Nockenbaugruppe 14 mit der Welle 12 (die nachstehend beschrieben ist) durch eine Sinterbindung hergestellt werden.
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Die gebildete Nockenbaugruppe 14 kann beispielsweise durch Induktionshärtung, Flammenhärtung, Laserhärtung oder einen beliebigen anderen Härtungsprozess gehärtet werden. Die Nockenbaugruppe 14 kann als ein Ganzes gehärtet werden, oder es können einzelne Komponenten der Nockenbaugruppe 14, wie beispielsweise die Vorsprünge 16, gehärtet werden. Die gehärtete Nockenbaugruppe 14 kann anschließend mit der Welle 12 gekoppelt werden, wie nachstehend vollständiger beschrieben ist.
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Die Nockenbaugruppe 14 und die Welle 12 können gekoppelt werden, indem sie beispielsweise durch einen Aufweitungsprozess mittels Kugel miteinander in Reibungseingriff gebracht werden. Bei einem Aufweitungsprozess mittels Kugel kann die Nockenbaugruppe 14 in einer hohlen, röhrenförmigen Welle 12 positioniert werden. Die röhrenförmige Welle 12 kann anschließend aufgeweitet werden, um die Nockenbaugruppe 14 in Position zu halten. Dies kann bewerkstelligt werden, indem die Enden der Welle 12 eingespannt werden, um eine Längsausdehnung zu verhindern, und indem eine Kugel (oder mehrere Kugeln mit zunehmendem Durchmesser) durch die röhrenförmige Welle 12 gedrückt werden. Die Kugel oder Kugeln sind größer als der ursprüngliche Innendurchmesser der Welle 12, wodurch die Welle 12 aufgeweitet wird, um mit der Nockenbaugruppe 14 in Eingriff zu gelangen. Andere Formen der Kopplung der Nockenbaugruppe 14 mit der Welle 12 können ebenso verwendet werden, wie beispielsweise eine Sinterbindung, Schweißen, eine Schrumpfpassung, ein Spreizdornprozess oder ein beliebiges anderes Verfahren.
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Es versteht sich, dass die Teile der Nockenwellenbaugruppe 10 auf eine Vielzahl von Weisen miteinander gekoppelt werden können und dass die vorliegende Offenbarung nicht auf einen Reibungseingriff beschränkt ist. Beispielsweise kann die Welle 12 bei verschiedenen Ausführungsformen einstückig mit der Nockenbaugruppe 14 gebildet werden, um eine monolithische Nockenwellenbaugruppe 10 zu bilden. Bei diesen Ausführungsformen kann der Schritt des Koppelns der Welle 12 mit der Nockenbaugruppe 14 beseitigt werden, da die Welle 12 und die Nockenbaugruppe 14 als ein einzelnes, monolithisches Teil gebildet werden können.
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Unter Bezugnahme auf 6 kann eine Motorbaugruppe 20 eine Motorstruktur 30, eine Kurbelwelle 32, die durch die Motorstruktur 30 drehbar gelagert ist, einen oder mehrere Kolben 34, die mit der Kurbelwelle 32 gekoppelt sind, Einlass- und Auslass-Nockenwellenbaugruppen 36, 38, die an der Motorstruktur 30 drehbar gelagert sind, Ventilhubbaugruppen 44, zumindest ein Einlassventil 46 und zumindest ein Auslassventil 50 umfassen. Eine oder beide der Nockenwellenbaugruppen 36, 38 können die Struktur der Nockenwellenbaugruppe 10 aufweisen, die vorstehend beschrieben ist. Gemäß dem vorliegenden nicht einschränkenden Beispiel ist die Motorbaugruppe 20 als ein Motor mit doppelter obenliegender Nockenwelle gezeigt, wobei die Motorstruktur 30 einen Zylinderkopf 54 aufweist, der die Einlass- und die Auslass-Nockenwellenbaugruppe 36, 38 drehbar lagert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf Ausbildungen mit obenliegenden Nockenwellen beschränkt ist. Ein Motorblock 56 kann Zylinderbohrungen 58 definieren. Der Zylinderkopf 54 und die Zylinderbohrungen 58 in dem Motorblock 56 können zusammenwirken, um Verbrennungskammern 60 zu definieren.
