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Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere eine Nockenwelle mit einem sogenannten Schiebenockensystem.
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Schiebennockensysteme dienen dazu, durch axiales Verschieben eines mehrere Nockenkonturen aufweisenden hülsenförmigen Nockenträgers auf einer Grundwelle der Nockenwelle, den Ventilhub eines oder mehrerer der Einlass- und/oder Auslassventile an den jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors anzupassen.
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Ein Ventiltrieb mit einem Schiebenockensystem ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 010 148 A1 bekannt. Das Schiebenockensystem umfasst einen Nockenträger als Teil der Nockenwelle, der drehfest jedoch in axialer Richtung verschiebbar auf einer Grundwelle der Nockenwelle angeordnet ist. Der Nockenträger weist zwei Nockengruppen mit jeweils zwei (in axialer Richtung) nebeneinander angeordneten Nocken mit unterschiedlichen Nockenkonturen auf.
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Der Hub der diesen Nockengruppen zugeordneten Ventile kann dadurch verstellt werden, dass der Nockenträger in eine von insgesamt drei definierten Axialpositionen verschoben wird, wodurch ein Kontaktelement eines Schlepphebels, mit dem die Ventile betätigt werden, entweder mit einem der beiden Nocken oder mit einer „Nullnocke” in Kontakt gebracht wird, die im Prinzip ein Abschnitt des Nockenträgers ist, der keine Nockenerhebung aufweist. Bei einem Kontakt des Schlepphebels mit einer der beiden Nocken, wird das jeweilige Ventil mit einem von der jeweiligen Nockenerhebung definierten und zusätzlich von dem Übersetzungsverhältnis des Schlepphebels abhängigen Hub betätigt. Bei einem Kontakt des Schlepphebels mit der „Nullnocke” ist der Hub des Ventils entsprechend der fehlenden Nockenerhebung gleich Null. Über die „Nullnocke” wird demnach eine Ventilabschaltung realisiert.
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Eine Verstellung der einzelnen Nockenträger in axialer Richtung der Nockenwelle erfolgt mit Hilfe einer in den Nockenträger integrierten Kulisse, die eine in Umfangsrichtung verlaufende, Y-förmige Nut ausbildet. Diese Nut weist somit in einem Abschnitt zwei divergierend verlaufende Teilnuten auf. Die tatsächliche Verstellung wird über eine Stellvorrichtung erreicht, die insgesamt drei ausfahrbare Verstellstifte aufweist, von denen jeweils einer, in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Nockenträgers auf der Grundwelle und von der gewünschten Verstellvorrichtung, ausgefahren wird und in einen Abschnitt der Nut eingreift. Greift einer der Verstellstifte in eine der divergierenden Teilnuten ein, führt dies infolge der Relativdrehung des Kulissenrads zu dem Stift zu einer Axialverschiebung des Nockenträgers auf der Grundwelle.
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Die jeweilige Axialstellung der Nockenträger wird durch eine Rastvorrichtung sichergestellt, die eine federbelastete Rastkugel aufweist, die in den einzelnen Axialstellungen außenseitig in eine dazugehörige Vertiefung des Nockenträgers eingreift.
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Ein funktional ähnlicher Ventiltrieb mit einem Schiebenockensystem ist aus der
DE 10 2011 011 803 A1 bekannt. Auch das dortige Schiebenockensystem umfasst eine Rastvorrichtung mit einer federbelasteten Rastkugel für jeden Nockenträger. Dort sind die Rastkugeln mitsamt ihren Federn jedoch in Durchgangsöffnungen der Grundwelle angeordnet und greifen in den definierten Axialstellungen innenseitig in Vertiefungen der hülsenförmigen Nockenträger ein.
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Eine Montage des aus der
DE 10 2011 011 803 A1 bekannten Ventiltriebs ist insbesondere dann mit großen Schwierigkeiten verbunden, wenn die festen, d. h. nicht verstellbaren Nocken mittels einer Presspassung mit der Grundwelle verbunden werden. Dabei werden die Nockenhülsen erwärmt und die Grundwelle stark abgekühlt (z. B. –180°C) und dann durch ein Einschieben der Grundwelle in die Nockenhülsen und die Nockenträger des Schiebennockensystems sowie durch ein Angleichen der Bauteiltemperaturen gefügt. Bei einem solchen thermischen Fügen der festen Nocken mit der Grundwelle müssen die Rastkugeln mit ihren Federn bereits in die Öffnungen der Grundwelle eingebracht werden, wo diese in kurzer Zeit ebenfalls stark abkühlen. Ein Einfedern der Rastkugeln, wie es für das Aufschieben der Nockenträger erforderlich ist, ist dann regelmäßig nicht mehr möglich, ohne dass es zu einer Beschädigung der Federn kommt.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2011 000 511 A1 eine Nockenwelle mit einem Schiebenockensystem bekannt, bei dem die axial beweglich und drehfeste Lagerung eines Nockenträgers auf einer Grundwelle der Nockenwelle durch zwei Nutsteine erzielt wird, die in um 180° versetzt angeordneten Längsnuten von sowohl der Grundwelle als auch der Schiebenockenhülse angeordnet sind. In einer die beiden Längsnuten der Grundwelle verbindenden Durchgangsöffnung ist eine Aufnahmehülse angeordnet, die eine Schraubenfeder sowie jeweils endseitig eine Kugel aufnimmt. Die Schraubenfeder belastet die beiden Kugeln gegen die Innenseiten der beiden Nutsteine. Dabei rasten die Kugeln jeweils in eine von mehreren, auf der Innenseite des dazugehörigen Nutsteins ausgebildeten Vertiefungen ein, um eine Fixierung des Nockenträgers in definierten Axialpositionen auf der Grundwelle zu gewährleisten. Eine Montage des Schiebenockensystems erfolgt durch ein Aufschieben des Nockenträgers auf die Grundwelle mit zusammengedrückten und somit in den Längsnuten der Grundwelle versenkten Nutsteinen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu montierende Nockenwelle mit einem Schiebenockensystem für den Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Nockenwelle gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Montieren einer solchen Nockenwelle gemäß dem Patentanspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Nockenwelle sind Gegenstand der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Eine gattungsgemäße Nockenwelle mit einer Grundwelle und (mindestens) einer auf der Grundwelle axial verschiebbaren Hülse, wobei die Hülse in einer Axialstellung mittels (mindestens) einer Rastvorrichtung auf der Grundwelle festlegbar ist, wobei die Rastvorrichtung (mindestens) ein von (mindestens) einem Federelement belastetes Rastelement, insbesondere eine Rastkugel, umfasst, das in einer Öffnung der Grundwelle angeordnet ist und in eine von mehreren Rastvertiefungen der Hülse eingreift, ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Hülse (mindestens) eine Montageöffnung aufweist, die derart dimensioniert und angeordnet ist, dass das Rastelement und das Federelement durch diese in die Öffnung der Grundwelle einbringbar sind.
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Bei der Hülse kann es sich insbesondere um einen Nockenträger oder einen Teil (insbesondere den die Verschiebekulisse ausbildenden Teil) eines solchen Nockenträgers eines Schiebenockensystems handeln. Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der (Teil des) Nockenträger(s) drehfest (aber axial verschiebbar) auf der Grundwelle angeordnet ist.
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Durch die Montageöffnung kann das Rastelement und das Federelement während der Montage der Nockenwelle in die Öffnung der Grundwelle eingebracht werden. Dies kann insbesondere erfolgen, nachdem die Hülse (z. B. der Nockenträger) auf die Grundwelle aufgeschoben worden ist. Das im Hinblick auf das Schiebenockensystem gemäß der
DE 10 2011 000 511 A1 beschriebene Problem beim thermischen Fügen der festen Nocken kann dadurch vermieden werden. Darüber hinaus eignet sich das Montageverfahren besonders gut bei beschränktem Bauraum.
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Um zu verhindern, dass das Federelement und die Rastkugel durch die Montageöffnung verloren gehen sowie um ein Abstützen des Federelements an dem dem Rastelement abgewandten Ende zu erreichen, kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Nockenwelle vorgesehen sein, dass sich das Federelement an einem in der Öffnung der Grundwelle befestigten Halteelement abstützt.
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Dabei kann das Halteelement vorteilhafterweise derart ausgebildet sein, dass es durch die Montageöffnung in die Öffnung der Grundwelle einbringbar ist. Das Einbringen des Halteelements kann somit gleichzeitig oder nachträglich zu dem Einbringen des Rastelements und des Federelements erfolgen, was mit einer einfachen Montierbarkeit verbunden sein kann.
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Insbesondere kann das Halteelement dafür als elastisch deformierbarer, in seinem Außenumfang verkleinerbarer Haltering oder Haltescheibe ausgebildet sein, der oder die in eine Nut in der Wandung der Öffnung der Grundwelle eingreifen kann.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Nockenwelle kann vorgesehen sein, dass die Grundwelle eine die Öffnung ausbildende Aufnahmehülse aufweist, die in (mindestens) einer Aufnahmeöffnung eines Grundkörpers der Grundwelle angeordnet ist. Eine solche Ausgestaltung der Grundwelle kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Grundkörper der Grundwelle rohrförmig ausgebildet ist, was gewichtstechnische Vorteile haben kann. Ein Härten der Grundwelle kann vorteilhaft entfallen. Es ist nur eine kleine Bohrung erforderlich.
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Bei einer solchen Nockenwelle kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass das Federelement die Aufnahmehülse gegen einen Absatz in der Aufnahmeöffnung (z. B. den Grund der Aufnahmeöffnung) belastet. Dadurch wird auf einfache Weise ein Verlieren der Aufnahmehülse aus der Aufnahmeöffnung des Grundkörpers vermieden.
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Insbesondere kann die Aufnahmeöffnung des Grundkörpers der Grundwelle auf derjenigen Seite, auf der die Kugel federbelastet ein Stück weit aus dieser herausragt, um in die Rastvertiefung der Hülse (z. B. des Nockenträgers) einzugreifen, einen Durchmesser aufweisen, der so groß ist, dass die Aufnahmehülse in die Aufnahmeöffnung einbringbar ist. Auf der gegenüberliegenden, der Montageöffnung in der Hülse benachbarten Seite kann die Aufnahmeöffnung dagegen einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als der Außendurchmesser der Aufnahmehülse aber größer als der Durchmesser des Rastelements und des Federelements ist.
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Insbesondere um ein Verschmutzen der Rastvorrichtung zu vermeiden, kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Montageöffnung mittels eines Stopfens verschließbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
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1: einen Ventiltrieb mit zwei erfindungsgemäßen Nockenwellen;
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2: einen Längsschnitt durch einen Teil einer der Nockenwellen;
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3: einen Schritt bei der Montage des Ventiltriebs;
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4: einen nachfolgenden Schritt bei der Montage des Ventiltriebs;
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5: eine erste alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Nockenwelle; und
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6: eine zweite alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Nockenwelle.
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Der in der 1 dargestellte Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors ist in einem Zylinderkopfgehäuse 10 eines im Übrigen nicht dargestellten Hubkolben-Verbrennungsmotors angeordnet. Das Zylinderkopfgehäuse 10 bildet zwei Lagertunnel 12 aus, in denen jeweils eine erfindungsgemäße Nockenwelle 14, 16 gelagert ist. Die beiden Nockenwellen 14, 16 werden mittels eines Zahnriemens von einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors angetrieben, wozu eine erste der Nockenwellen 14 mit einem Antriebsrad 18 verbunden ist.
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Jede der beiden Nockenwellen 14, 16 umfasst eine Grundwelle 22, auf der jeweils vier Einzelnocken 24 sowie zwei Nockenträger 26 angeordnet sind. Die Einzelnocken 24 sind sowohl axial als auch verdrehgesichert mit den Grundwellen 22 verbunden, während die hülsenförmigen Nockenträger 26 ebenfalls verdrehgesichert aber in Grenzen axial verschiebbar auf den Grundwellen 22 gelagert sind.
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Die Fixierung der Einzelnocken 24 erfolgt mittels Presspassungen, während die Verdrehsicherung der Nockenträger 26 über eine Längsverzahnung auf einer Innenfläche jedes der Nockenträger 26 in Verbindung mit einer entsprechenden Längsverzahnung auf der Außenfläche jeder der Grundwellen 22 erreicht wird. Die Längsverzahnung stellt die Verschiebbarkeit der Nockenträger 26 in Längsrichtung der Nockenwellen 14, 16 sicher, wodurch eine Hubumschaltung der von Nocken der Nockenträger 26 betätigten Ventile (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors realisiert werden kann.
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Jeder der Nockenträger 26 umfasst zwei Nockenabschnitte 28, die jeweils zwei nebeneinander angeordnete, unterschiedliche Nockenkonturen aufweisende Nocken ausbilden.
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Mittels der Nockenwellen 14 kann eine zweistufige Ventilhubschaltung für die von den Nocken der Nockenträger 26 betätigten Ventile des Verbrennungsmotors realisiert werden. Diese Ventilhubschaltung wird über eine Axialverschiebung der Nockenträger 26 erreicht, wobei dabei jeweils ein Betätigungselement (nicht dargestellt), wie beispielsweise ein Rollenschlepphebel, das jeweils einem Ventil des Verbrennungsmotors zugeordnet ist, in Kontakt mit einem der Nocken jedes der Nockenabschnitte 28 gebracht wird, wodurch das Ventil entsprechend der jeweiligen Nockenkontur betätigt wird.
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Die Verschiebung jedes der Nockenträger 26 erfolgt über einen Kulissenabschnitt 30, in dessen im Übrigen zylindrische Außenfläche eine V-förmige Steuernut eingebracht ist. Dem Kulissenabschnitt 30 jedes der Nockenträger 26 ist ein mit dem Zylinderkopfgehäuse 10 verbundener Aktuator (nicht sichtbar) zugeordnet, der zwei Steuerstifte (nicht sichtbar) aufweist, die einzeln angesteuert ausgefahren werden können, um bedarfsgerecht in die Steuernut des dazugehörigen Kulissenabschnitts 30 einzugreifen und in Folge der Relativbewegung zwischen dem rotierenden Kulissenabschnitt 30 und dem feststehenden Steuerstift des Aktuators den jeweiligen Nockenträger 26 in einer Richtung auf der Grundwelle 22 zu verschieben. Dadurch werden zwei Axialpositionen für jeden der Nockenträger 26 realisiert.
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Mittels einer Rastvorrichtung können die beiden Axialpositionen jedes Nockenträgers 26 gegen ein ungewolltes axiales Verschieben gesichert werden.
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Jede der Rastvorrichtungen umfasst ein Rastelement in Form einer Rastkugel 34 sowie ein Federelement 36, die beide in einer Aufnahmehülse 38 angeordnet sind. Die Aufnahmehülse 38 ist in zwei kollinear (bezüglich ihrer Längsachse) ausgerichteten, d. h. sich überdeckenden Aufnahmeöffnungen 40, 42 eines rohrförmigen Grundkörpers 44 der dazugehörigen Grundwelle 22 angeordnet. Im montierten Zustand rastet die Rastkugel 34 jeder Rastvorrichtung in eine von zwei Rastvertiefungen 46 ein, die an der Innenseite des dazugehörigen Nockenträgers 26 ausgebildet sind. Dabei stützt sich das die Rastkugel 34 belastende Federelement 36 auf der der Rastkugel 34 abgewandten Seite an einer Haltescheibe 48 ab. Die Haltescheibe 48 ist in einer Haltenut auf der Innenseite der Aufnahmehülse 38 fixiert.
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Die (erste) Aufnahmeöffnung 40 auf derjenigen Seite des Grundkörpers 44 der Grundwelle 22, auf der die Rastkugel 34 in die Rastvertiefungen 46 eingreift, weist (vor der Montage der Aufnahmehülse 38) einen Durchmesser auf, der etwas größer, gleich oder nur geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Aufnahmehülse 38 ist. Die zweite Aufnahmeöffnung 42 weist einen abgestuften Durchmesser auf. Ein erster, der Innenseite des Grundkörpers 44 benachbarter Abschnitt der Aufnahmeöffnung weist einen Durchmesser auf, der (vor der Montage der Aufnahmehülse 38) etwas größer, gleich oder nur geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Aufnahmehülse 38 ist. Ein zweiter, der Außenseite des Grundkörpers 44 benachbarter Abschnitt der zweiten Aufnahmeöffnung 42 weist dagegen einen Durchmesser auf, der deutlich kleiner als der Außendurchmesser der Aufnahmehülse 38 ist und insbesondere dem Innendurchmesser der Aufnahmehülse 38 entspricht. Dadurch wird ein ringförmiger Absatz innerhalb der zweiten Aufnahmeöffnung 42 ausgebildet, an dem das entsprechende Ende der Aufnahmehülse 38 stirnseitig abgestützt ist, wobei es in dem ersten Abschnitt der zweiten Aufnahmeöffnung 42 geführt ist. Dabei bewirkt die Vorspannung des Federelements 36, dass die Aufnahmehülse 38 gegen diesen Absatz gedrückt wird. Dies verhindert zuverlässig ein Verlieren der Aufnahmehülse 38 aus den Aufnahmeöffnungen 40, 42. Zusätzlich dazu kann die Aufnahmehülse 38 auch klemmend in der ersten Aufnahmeöffnung 40 und/oder dem ersten Abschnitt der zweiten Aufnahmeöffnung 42 fixiert sein, wenn die dazugehörigen Durchmesser entsprechend ausgelegt sind.
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Eine Montage der Rastkugel 34, des Federelements 36 und der Haltescheibe 48 erfolgt – in dieser Reihenfolge – durch eine ausreichend groß dimensionierte Montageöffnung 32 in dem Nockenträger 26 hindurch (vgl. 3 und 4). Die Montageöffnung 32 ist dazu kollinear zu den Aufnahmeöffnungen 40, 42 und damit zu der Aufnahmehülse 38 ausgerichtet. Zum Einbringen der Haltscheibe 48 muss diese derart deformiert werden, dass ihr Außendurchmesser, der im unbelasteten Zustand größer als der Innendurchmesser des zweiten Abschnitts der zweiten Aufnahmeöffnung 42 und der Aufnahmehülse 38 ist, ausreichend verkleinert wird. Dazu ist die Haltescheibe mehrfach radial geschlitzt, wodurch Federlaschen ausgebildet werden, die elastisch ausgelenkt werden können. Sobald die Haltescheibe 48 in der Aufnahmehülse 38 die Haltenut erreicht, rasten die Federlaschen in diese ein und die Haltescheibe 48 ist innerhalb der Aufnahmehülse 38 fixiert.
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Die in der 5 dargestellte erfindungsgemäße Nockenwelle 14, 16 unterscheidet sich von derjenigen der 2 bis 4 dahingehend, dass die Grundwelle 22 in Form einer Vollwelle ausgebildet ist, wodurch auf eine Aufnahmehülse 38 verzichtet werden kann. Die Grundwelle 22 selbst bildet eine Aufnahmeöffnung 40 aus, in der die Rastkugel 34, das Federelement 36 und die Haltescheibe 48 angeordnet sind, wobei die Haltescheibe 48 in eine umlaufende Haltenut in der Wandung der Aufnahmeöffnung 40 eingreift.
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Die in der 6 dargestellte erfindungsgemäße Nockenwelle 14, 16 unterscheidet sich von derjenigen der 2 bis 4 dahingehend, dass die Haltescheibe 48 in die Aufnahmehülse 38 integriert ist, die dadurch eine H-förmige Längsschnittfläche ausbildet. Zur Montage dieser Nockenwelle 14, 16 kann vorgesehen sein, dass die Rastkugel 34 und das Federelement 36 zunächst in den entsprechenden Abschnitt der Aufnahmehülse 38 eingesetzt werden und die Einheit dann über die Montageöffnung 32 in dem Nockenträger 26 und eine ausreichend groß dimensionierte zweite Aufnahmeöffnung 42 in den Grundkörper 44 der Grundwelle 22 eingesetzt wird. Eine Fixierung der Aufnahmehülse 38 in dem Grundkörper 44 kann dann beispielsweise über eine Presspassung in den Aufnahmeöffnungen 40, 42 erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Nockenwellen 14, 16 ermöglicht eine vorteilhafte Montage eines Ventiltriebs in dem mit einteiligen Lagerbrücken 20 für die Nockenwellen 14, 16 versehenen Zylinderkopfgehäuse 10 gemäß der 1. Dazu werden die Einzelnocken 24 sowie die Nockenträger 26 mittels Haltevorrichtungen an den jeweiligen Positionen innerhalb der Lagertunnel 12 positioniert und die Grundwellen 22 von einer der Stirnseiten des Zylinderkopfgehäuses 10 aus durch die in den Lagerbrücken 20 ausgebildeten Lageröffnungen, die Einzelnocken 24 und die Nockenträger 26 hindurch geschoben. Zuvor wurden die Grundwellen 22 stark abgekühlt und ggf. zusätzlich die Einzelnocken 24 erwärmt, um nach einer Temperaturangleichung die vorgesehene Presspassung zwischen diesen Elementen herzustellen. Anschließend werden die Federelemente 36, Rastkugeln 34 sowie ggf. die Aufnahmehülsen 38 und/oder Haltescheiben 48 durch die Montageöffnungen 32 der Nockenträger 26 montiert. Dies erfolgt, nachdem die Temperatur der Grundwellen 22 einen Wert erreicht hat, der eine Beschädigung von insbesondere den Federelementen 36 während der Montage infolge einer starken Abkühlung der Federelemente 36 durch die Grundwellen 22 und einer anschließenden Deformation im kalten Zustand ausschließt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zylinderkopfgehäuse
- 12
- Lagertunnel
- 14
- Nockenwelle
- 16
- Nockenwelle
- 18
- Antriebsrad
- 20
- Lagerbrücke
- 22
- Grundwelle
- 24
- Einzelnocke
- 26
- Nockenträger
- 28
- Nockenabschnitt
- 30
- Kulissenabschnitt
- 32
- Montageöffnung
- 34
- Rastkugel
- 36
- Federelement
- 38
- Aufnahmehülse
- 40
- Aufnahmeöffnung
- 42
- Aufnahmeöffnung
- 44
- Grundkörper
- 46
- Rastvertiefung
- 48
- Haltescheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007010148 A1 [0003]
- DE 102011011803 A1 [0007, 0008]
- DE 102011000511 A1 [0009, 0014]
