DE102014014659B3

DE102014014659B3 - Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE102014014659B3
Application number: DE102014014659.6A
Authority: DE
Inventors: Jörg Wutzler; Andreas Werler
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2014-10-08
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-01-14
Anticipated expiration: 2034-10-09
Also published as: US20160102587A1; US10006319B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Nockenwelle (11) zum Betätigen von Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine. Die Nockenwelle (11) besteht aus wenigstens zwei drehfest miteinander verbundenen, jedoch axial zueinander verschiebbaren Nockensegmenten (1, 2), welche an ihren Stirnseiten jeweils eine auf deren äußeren Mantelfläche radial umlaufende Verzahnung (7) tragen, die in eine zu dieser Verzahnung (7) komplementäre Verzahnung (8) eingreift, die auf der Innenfläche eines inneren Lagerrings (9) einer im Zylinderkopf ausgebildeten Nockenwellenlagerung (10) ausgebildet ist. Die Verzahnung (8) auf der Innenfläche des inneren Lagerrings (9) durchdringt diesen in seinem axialen Verlauf vollständig. Beidseitig des inneren Lagerrings (9) greifen in dessen Verzahnung (8) die stirnseitigen Verzahnungen (7) der jeweils angrenzenden Nockensegmente (1, 2) ein, wobei der innere Lagerring (9) eine drehfeste Verbindung zwischen den Nockenwellensegmenten (1, 2) bildet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Nockenwelle zum Betätigen von Gaswechselventilen eines Verbrennungsmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 056 224 A1 ist ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Ventiltrieb umfasst mindestens eine Nockenwelle, auf welcher mindestens ein Nockenträger drehfest und axial verschiebbar angeordnet ist. Der Nockenträger weist auf einer Seite einen zumindest bereichsweise an der Nockenwelle anliegenden Axialvorsprung auf, zu dem in Umfangsrichtung überlappender Position ein zumindest bereichsweise an der Nockenwelle anliegendes Abstützelement eines ebenfalls drehfest auf der Nockenwelle angeordneten Bauteils berührungsfrei anordenbar ist.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 004 579 A1 ist ein Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit mindestens einer Nockenwelle mit mehreren, jeweils einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordneten Nockenträgern bekannt. Die Nockenträger sind axial verschieblich gelagert und an wenigstens einer ihrer Stirnseiten mit mindestens einem Drehmitnahmemittel versehen. Die Drehmitnahmemittel sind derart ausgebildet, dass die Drehmitnahmemittel benachbarter Nockenträger axial verschieblich ineinander greifen.
Aus der DE 10 2011 101 868 A1 ist eine Vorrichtung zur Variation des Ladungswechselventilhubs bekannt, bei welcher ein Nockensegment, welches eine Nockengruppe mit Nocken verschiedenen Hubverlaufs trägt, axial verschiebbar auf einer Grundwelle angeordnet ist. Das Nockensegment und die Grundwelle sind miteinander verzahnt, so dass eine drehfeste Verbindung zwischen Nockenwelle und Nockensegment gesichert ist und ein axiales Verschieben der Nockensegmente über ein Übertragungselement, das von einer weiteren Stellwelle betätigt wird, erfolgen kann.
Ein weiterer Hub-variabler Ventiltrieb ist aus der DE 10 2011 108 728 A1 bekannt. Ein axial verschiebbares Nockensegment mit mehreren Nocken unterschiedlichen Hubverlaufs wird von einer innerhalb der Nockenwelle liegenden Verstellwelle betätigt. Die Nockensegmente sind mit einer Grundwelle verzahnt und es erfolgt eine Lagerung im Zylinderkopf, bei welcher auf dem Nockensegment eine Gleitlagerfläche ausgebildet ist, welche mit einem im Zylinderkopf abgestützten Schiebelager zusammen wirkt. Die Verwendung eines Schiebelagers wird notwendig, da bei einer Lagerung der Nockensegmente zwischen den Nockengruppen in einer Ebene nahe der Zylinderachse der Bauraum für eine mehrstufige Schaltung des Ventilhubs begrenzt ist.
Ein weiterer Hub-variabler Ventiltrieb ist aus der DE 10 2010 005 790 A1 bekannt. Ein auf einem axial verschiebbaren Nockensegment angeordnetes Lager wird zum axialen Positionieren des Nockensegmentes genutzt, wobei durch ein Verschieben des Lagers mittels einer Stellwelle das wirksam Schalten der verschiedenen Nockenkonturen des Nockensegmentes für den Ventiltrieb erfolgt.
Das Lagern der Nockenwelle bzw. der Nockensegmente nahe der Zylinderachse führt bei mehrstufigen Schaltsystemen zu Problemen mit dem verfügbaren Bauraum zwischen den Ventilen, so dass alternativ eine Lagerung an den Stirnseiten der Nockensegmente erfolgen kann. Ein Beispiel hierfür ist in der DE 195 19 048 A1 gezeigt. Das die Nockengruppen tragende Nockensegment ist an seinen Stirnseiten erweitert und es sind an den Mantelflächen Lagerflächen umlaufend ausgebildet, welche mit einer im Zylinderkopf ausgeführten Gleitfläche die Gleitlagerung für das Nockensegment bilden.
Eine weitere Lagerung axial verschiebbarer Nockensegmente an deren Stirnseiten ist in der DE 10 2008 024 876 A1 und der DE 10 2009 021 650 A1 gezeigt. Die Nockensegmente sind hierbei an ihren Mantelflächen mit Gleitflächen versehen, für welche Gleitflächen im Zylinderkopf ein entsprechendes Gegenlager bilden. Die Nockenwellenlagerung erfolgt somit über ein stirnseitig an den Nockenwellensegmenten und dem Zylinderkopf ausgebildetes Gleitlager.
Nachteilig an den vorbekannten Lagerungen für axial verschiebbare Nockensegmente ist bei einer Lagerung dieser an deren Stirnseiten die Verschiebung des mit dem Nockensegment rotierenden Gleitkontaktes in der Lagerhülse. Weiterhin erfolgt je nach axialer Positionierung der Nockensegmente eine unsymmetrische Lagerbelastung.
Weiterhin vorbekannt ist aus der DE 10 2010 047 993 A1 eine Lagerung der Grundwelle über mitdrehende, mit dieser verzahnte Lagerhülsen. Die Lagerhülsen bilden dabei Anschlagflächen für auf der Nockenwelle axial verschiebbare Nockensegmente.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Nockenwelle zum Betätigen von Gaswechselventilen derart auszubilden, dass eine verschleißarme Lagerung axial verschiebbarer Nockenwellensegmente erfolgen kann.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird für eine Vorrichtung bestehend aus einem Zylinderkopf und einer darin gelagerten Nockenwelle erfindungsgemäß durch eine Ausgestaltung entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine weist wenigstens eine Nockenwelle zum Betätigen von Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine auf. Zum Umschalten der für die Gaswechselventile wirksamen Hubkontur erfolgt ein axiales Verschieben von Nockensegmenten über im Stand der Technik bekannte Betätigungsmittel. Um ein axiales Verschieben der Nockensegmente zu gewährleisten, besteht die Nockenwelle aus wenigstens zwei drehfest miteinander verbundenen, jedoch axial zueinander verschiebbaren Nockensegmenten. Die Nockensegmente tragen dabei mindestens eine Nockengruppe, welche direkt benachbart wenigstens zwei voneinander verschiedene Nocken unterschiedlicher Hubkurven aufweist. Die Hubkurven der auf den Nockensegmenten ausgebildeten Nockengruppen weisen vorzugsweise in ihrem Maximalhub verschiedene Nocken auf, wobei auch ein Nullhub für eine Ventilabschaltung realisiert sein kann. Die Nockensegmente weisen an ihren Stirnseiten jeweils eine Lagerstelle zur Lagerung der Nockenwelle im Zylinderkopf auf, wobei erfindungsgemäß vorteilhaft eine Lagerung von wenigstens zwei benachbarten Nockensegmenten in einer mit diesen mitdrehenden Lagerhülse erfolgt, in welcher die Nockensegmente verschiebbar sind. Die Führung der Nockenwelle erfolgt über die mit den Nockensegmenten mitdrehende Lagerhülse, welche im Zylinderkopf gegengelagert ist. Hierfür weisen die Lagerstellen der Nockensegmente an ihren Stirnseiten jeweils eine auf ihrer äußeren Mantelfläche radial umlaufende Verzahnung auf. Diese erstreckt sich von der Stirnseite ausgehend entlang eines Teils der axialen Erstreckung des Nockensegments. Die Länge der Verzahnung ist dabei größer als deren axiale Verschiebung. Sie greift in eine zu dieser Verzahnung komplementäre Verzahnung ein, die auf der Innenfläche eines inneren Lagerrings einer im Zylinderkopf ausgebildeten Nockenwellenlagerung ausgebildet ist. Die Verzahnung durchdringt den inneren Lagerring in seinem axialen Verlauf vollständig, so dass die mit ihren Stirnseiten im inneren Lagerring verzahnten Nockensegmente in diesem axial verschoben werden können. Wenigstens auf einer der Stirnseiten des Nockensegmentes ist in dem inneren Lagerring ein weiteres Nockensegment angeordnet, das mit seiner stirnseitigen Verzahnung in die komplementäre Verzahnung des inneren Lagerrings eingreift. Der Lagerring schafft damit eine drehfeste Verbindung zwischen den Nockenwellensegmenten und ermöglicht durch die Verzahnungen mit diesen sowohl ein axiales Verschieben der Nockenwellensegmente miteinander als auch relativ zueinander. Die axial verschiebbaren Anlageflächen zwischen den Nockensegmenten und dem inneren Lagerring sind durch die Verzahnung gebildet, wobei die Funktion der rotierenden Lagerung von der äußeren Mantelfläche des inneren Lagerrings übernommen wird. Dieser ist in axialer Richtung fest positioniert, so dass die relativ zueinander rotierenden Flächen der als Gleit- oder Wälzlager ausgebildeten Nockenwellenlagerung keine axial zueinander verschiebbaren Lagerflächen aufweisen, da die axiale Verschiebung in den drehfest zueinander festgelegten Verzahnungen der Nockensegmente mit dem Lagerring realisiert wird. Der innere Lagerring wird durch die beiden an gegenüberliegenden Seiten in seine Verzahnung eingesteckten Nockensegmente nahezu gleichmäßig belastet. Auch bei einem axialen Verschieben und dadurch realisierten unterschiedlichen Auflagebreiten der Nockensegmente in der Verzahnung des inneren Lagerrings erfolgt stets eine radiale Belastung auf beiden Seiten des inneren Lagerrings. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der innere Lagerring in axialer Richtung der Nockenwelle gegenüber dieser unverschiebbar im Zylinderkopf positioniert, wobei die äußere Mantelfläche des Lagerrings als Gleitlager ausgebildet ist, welches in einem im Zylinderkopf ausgebildeten Lagersitz oder einer darin angeordneten Lagerschale drehbar gehalten ist. Alternativ kann die äußere Mantelfläche des Lagerrings über Wälzkörper in einer im Zylinderkopf gehaltenen äußeren Lagerschale drehbar gelagert sein, wobei der innere Lagerring, Wälzkörper und äußerer Lagerring ein Wälzlager für die Nockenwellensegmente bilden.
Erfindungsgemäß vorteilhaft erfolgt die Lagerung der Nockensegmente an ihren Stirnseiten in einer Ebene, die bezogen auf die Zylinder der Verbrennungskraftmaschine von der Mittelachse der Zylinder beabstandet in den Randbereichen des Zylinders zwischen diesen erfolgt. Erfindungsgemäß erfolgt damit die Lagerung der Nockensegmente außerhalb des eng begrenzten Bauraums zwischen den Ventilen, was insbesondere bei mehrstufigen Schaltsystemen aufgrund der Breite der Nockenpakete von Vorteil ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Eingriff wenigstens eines Teils der die Positionierung des Nockensegments bestimmenden Aktuatorik an einer Position, die in axialer Erstreckung der Nockenwelle gesehen zwischen den Lagerstellen des Nockensegmentes liegt. Ein Beispiel für eine die Nockenposition bestimmende Aktuatorik ist in der DE 10 2008 061 440 B3 offenbart, bei der mit den Nockensegmenten umlaufende Pins in eine über eine Stellwelle positionierte Kulisse eingreifen. Weitere Beispiele für die Aktuatorik zeigen die DE 10 2010 005 790 A1 sowie die DE 10 2011 101 868 A1 . Bei dieser Aktuatorik werden auf dem Nockensegment sitzende, von der Aktuatorik in axiale Richtung positionierbare Übertragungselemente zur Positionierung der Nockensegmente in axialer Richtung genutzt.
Die Nockenwelle kann in einer Ausführungsform lediglich aus den Nockensegmenten bestehen, welche über den inneren Lagerring drehfest miteinander verbunden sind. Hierfür bedarf es keiner Grundwelle, auf welcher die Nockensegmente angeordnet sind. In einer alternativen Ausführung weisen die Nockensegmente in axialer Richtung der Nockenwelle Bohrungen auf, welche von einer Grundwelle durchdrungen werden. Die Nockensegmente können dabei drehfest und axial verschiebbar auf dieser Grundwelle über eine Verzahnung der Grundwelle zu den Nockensegmenten gehalten sein. In dieser Ausführung weist die Grundwelle an ihrer äußeren Mantelfläche eine Verzahnung auf, in welche eine, hierzu komplementäre und an den inneren Mantelflächen der in axialer Richtung durch die Nockensegmente verlaufenden Bohrung ausgebildeten Verzahnung eingreift.
Beschreibung
In 1 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Zwei Nockensegmente 1, 2 tragen Nockengruppen 6, welche direkt benachbart Nocken 3, 4, 5 mit unterschiedlicher Nockenkontur aufweisen. Zum wirksam Schalten der verschiedenen Nocken 3, 4, 5 sind die Nockensegmente entlang ihrer axialen Erstreckung mittels einer nicht gezeigten Aktuatorik verschiebbar. Die Nockensegmente 1, 2 weisen jeweils an ihren Stirnseiten auf der äußeren Mantelfläche umlaufend Verzahnungen 7 auf, welche in eine hierzu komplementäre Verzahnung 8 eingreifen, die auf der inneren Mantelfläche eines inneren Lagerringes 9 ausgebildet ist. Der Lagerring 9 ist über eine Gleitpaarung in einer Nockenwellenlagerung 10 des Zylinderkopfes gelagert. Der Lagerring 9, in welchen beidseitig mit diesem verzahnt die Nockensegmente 1, 2 eingesteckt sind, bildet mit den Nockensegmenten 1, 2 die Nockenwelle 11. Die Nockenwelle 11 rotiert in den Nockenwellenlagerungen 10 des Zylinderkopfes, wobei die Nockensegmente 1, 2 zueinander drehfest über die Verzahnung 7 der Nockensegmente 1, 2, welche in die Verzahnung 8 des inneren Lagerrings 9 eingreifen, verbunden sind. In axialer Erstreckung der Nockenwelle sind die Nockensegmente 1, 2 im inneren Lagerring 9 verschiebbar. Die Nockensegmente 1, 2 können gemeinsam oder auch relativ zueinander verschoben werden. Die Nockenwellenlagerung 10 im Zylinderkopf befindet sich beanstandet zu den Mittelachsen M der Zylinder in deren Randbereich. Der gezeigte Ausschnitt der Nockenwelle zeigt eine zwischen den Mittelachsen M der Zylinder angeordnete Nockenwellenlagerung 10 für zwei Nockensegmente 1, 2. Die Anzahl der Nockensegmente 1, 2 kann jeweils durch Erweiterung mit einem identischen Aufbau erhöht werden, es können somit Nockenwellen 11 für eine beliebige Anzahl von Zylindern gebildet werden, bei denen jedes der Nockensegmente 1, 2 axial unabhängig von dem jeweils anderen verschoben werden kann. So können beispielsweise zylinderindividuelle Ventilabschaltungen für Mehrzylindermotoren realisiert werden. Abweichend von der gezeigten Darstellung können die Nockensegmente 1, 2 auf einer Grundwelle gelagert sein, welche sich im Inneren der Nockensegmente 1, 2 erstreckt. Die Nockensegmente 1, 2 können an ihren inneren Mantelflächen radial umlaufende Verzahnungen aufweisen, welche in eine dazu komplementäre Verzahnung der Grundwelle eingreifen. Die Nockensegmente 1, 2 sind somit drehfest aber axial verschiebbar auf der Grundwelle gehalten.

Claims

Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Nockenwelle (11) zum Betätigen von Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine, wobei die Nockenwelle (11) aus wenigstens zwei drehfest miteinander verbundenen, jedoch axial zueinander verschiebbaren Nockensegmenten (1, 2) besteht, wobei die Nockensegmente (1, 2) mindestens eine Nockengruppe (6) tragen, welche direkt benachbart wenigstens zwei voneinander verschiedene Nocken (3, 4, 5) unterschiedlicher Hubkurven aufweist und wobei die Nockensegmente (1, 2) an ihren Stirnseiten jeweils eine Lagerstelle zur Lagerung der Nockenwelle (11) im Zylinderkopf aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstellen der Nockensegmente (1, 2) jeweils an deren Stirnseiten eine auf ihrer äußeren Mantelfläche radial umlaufende Verzahnung (7) tragen, welche von der jeweiligen Stirnseite ausgehend entlang eines Teils der axialen Erstreckung des jeweiligen Nockensegments (1, 2) verläuft und in eine zu dieser Verzahnung (7) komplementäre Verzahnung (8) eingreift, die auf der Innenfläche eines inneren Lagerrings (9) einer im Zylinderkopf ausgebildeten Nockenwellenlagerung (10) ausgebildet ist, wobei die Verzahnung (8) auf der Innenfläche des inneren Lagerrings (9) diesen in seinem axialen Verlauf vollständig durchdringt und beidseitig des inneren Lagerrings (9) in dessen Verzahnung (8) die stirnseitigen Verzahnungen (7) der jeweils angrenzenden Nockensegmente (1, 2) eingreifen, wobei der innere Lagerring (9) eine drehfeste Verbindung zwischen den Nockenwellensegmenten (1, 2) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Lagerring (9) in axialer Richtung der Nockenwelle (11) unverschiebbar im Zylinderkopf positioniert ist, wobei die äußere Mantelfläche des inneren Lagerrings (9) als Gleitlager ausgebildet ist, welches im Lagersitz einer im Zylinderkopf ausgebildeten Nockenwellenlagerung (10) oder einer darin angeordneten Lagerschale drehbar gehalten ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezogen auf die Zylinder der Brennkraftmaschine die Lagerung der Nockenwelle (11) von den Mittelachsen (M) der Zylinder beabstandet in den Randbereichen der Zylinder erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass axial zwischen den Lagerstellen eines Nockensegmentes (1, 2) wenigstens ein Teil einer die axiale Positionierung des Nockensegments (1, 2) bestimmenden Aktuatorik in das Nockensegment (1, 2) eingreift.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockensegmente (1, 2) entlang des axialen Verlaufes der Nockenwelle (11) eine Bohrung aufweisen, welche von einer Grundwelle durchdrungen wird, wobei die Nockensegmente (1, 2) drehfest und axial verschiebbar auf dieser Grundwelle über eine Verzahnung der Grundwelle zu den Nockensegmenten (1, 2) derart gehalten sind, dass die Grundwelle an ihrer äußeren Mantelfläche eine Verzahnung aufweist, in welche eine hierzu komplementäre, an den inneren Mantelflächen der in axialer Richtung durch die Nockensegmente (1, 2) verlaufenden Bohrung ausgebildete Verzahnung eingreift.