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Die vorliegende Erfindung betrifft eine verstellbare Nockenwelle für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Außenwelle und mit einer sich durch die Außenwelle hindurch erstreckenden Innenwelle, wobei auf der Außenwelle wenigstens ein Nockenelement angeordnet und mit der Innenwelle drehfest verbunden ist, wobei das Nockenelement unter Bildung einer Lagerung drehbar auf der Außenseite der Außenwelle aufgenommen ist.
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STAND DER TECHNIK
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Die
DE 10 2005 014 680 A1 zeigt beispielhaft eine verstellbare Nockenwelle für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Außenwelle und mit einer sich durch die Außenwelle hindurch erstreckenden Innenwelle, wobei auf der Außenwelle Nockenelemente angeordnet und mit der Innenwelle über einen Bolzen verdrehfest verbunden sind. Wird die Phasenlage der Innenwelle gegenüber der Phasenlage der Außenwelle verändert, so führen die Nockenelemente auf der Außenwelle eine Drehbewegung unabhängig von einer Rotation der Nockenwelle beispielsweise in einem Zylinderkopf oder in einer Zylinderkopfhaube aus. Dadurch werden die verstellbaren Nockenelemente gegen fest auf der Außenwelle angeordnete weitere Nockenelemente verdreht, sodass die Steuerzeiten beispielsweise von Einlassventilen und Auslassventilen zueinander verändert werden können.
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Die Nockenelemente weisen Nockenbahnen auf, die mit Abgriffselementen in Kontakt stehen. Rotiert die Nockenwelle um ihre Längsachse, so wird durch die Abgriffselemente eine periodische Kraftbeaufschlagung in die Nockenelemente bewirkt. Die dynamische Kraftbeaufschlagung der Nockenelemente führt zu einer periodischen Wechselbelastung der Lagerung, die durch die drehbare Aufnahme der Nockenelemente auf der Außenseite der Außenwelle gebildet ist.
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Verschleißuntersuchungen haben gezeigt, dass gerade diese Wechselbelastung zwar einen verbesserten Ölaustausch im Gleitspalt zwischen dem Nockenelement und der Außenseite der Außenwelle bewirkt, da sich eine Art Pumpeffekt einstellt, jedoch führt eine periodische, minimale Kippbewegung der Nockenelemente auf der Außenseite der Außenwelle zu erhöhtem Verschleiß.
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Grundsätzlich werden Nockenelemente auf der Außenseite von Außenwellen über Gleitlagerungen drehbar aufgenommen. Werden die Gleitlagerungen mit sehr geringer Lagerluft ausgebildet, so verschlechtert sich der Schmierstoffaustausch im Lagerspalt. Eine schlechte Schmierstoffversorgung führt bei längerem Gebrauch der Nockenwelle ebenfalls zu einem erhöhten Verschleiß. Wird die Lagerluft erhöht, sodass ein etwas größerer Spalt zwischen der Bohrung im Nockenelement und der Außenseite der Außenwelle entsteht, so wird zwar der Schmierstoffaustausch verbessert, jedoch kann es zu Kantentrageffekten kommen, die ebenfalls zu vermeiden sind.
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Ein weiterer Nachteil einer sehr geringen Lagerluft, die zum Beispiel gebildet wird wenn die Nockenelemente auf der Außenseite der Außenwelle leicht vorgespannt werden, betreffen höhere notwendige Verstellkräfte, zumal auf einer Nockenwelle zumeist mehrere drehbar auf der Außenseite der Außenwelle aufgenommene Nockenelemente vorgesehen sind. Soll also die Innenwelle in der Außenwelle verdreht werden, beispielsweise durch einen hydraulisch wirkenden Phasenversteller, so muss dieser den erhöhten Verstellmomenten angepasst werden, wodurch nachteilhafterweise eine verstärkte Ölversorgung notwendig wird.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung einer verstellbaren Nockenwelle mit einer verbesserten Aufnahme der Nockenelemente auf der Außenseite der Außenwelle. Insbesondere soll der Verschleiß der Nockenwelle minimiert werden.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer verstellbaren Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Lagerung zwischen dem Nockenelement und der Außenseite der Außenwelle angeordnete Wälzkörper aufweist.
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Zwischen dem Nockenelement und der Außenseite der Außenwelle angeordnete Wälzlager ermöglichen eine drehbare Aufnahme des Nockenelementes auf der Außenwelle, mit der die eingangs aufgeführten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können. Durch die Wälzkörper kann eine Wälzlageranordnung geschaffen werden, die eine momentenminimale Verdrehung des Nockenelementes auf der Außenwelle ermöglicht, da eine Wälzlagerung im Vergleich zu einer Gleitlagerung eine geringere Verlustreibung aufweist. Weiterhin kann der Verschleiß der Lagerung reduziert werden, da bei einem Gleitkontakt eines Nockenelementes auf der Außenwelle eine Vollschmierung aufgrund der sehr kleinen, und nur kurzzeitigen Drehbewegungen nicht vollständig aufgebaut werden kann. Ein besonderer Vorteil entsteht weiterhin dadurch, dass eine Wälzlagerung trotz Aufrechterhaltung geringer Verdrehmomente vorgespannt werden kann, sodass die periodische Krafteinleitung durch ein Abgriffselement auf das Nockenelement nicht zu einer wiederkehrenden Verkippung des Nockenelementes auf der Außenwelle führt. Dadurch entstehen keine Kantentrageffekte, sodass insgesamt eine Wälzlagerung mit zwischen dem Nockenelement und der Außenseite der Außenwelle angeordneten Wälzkörpern eine leicht vorgespannte Aufnahme des Nockenelementes auf der Außenwelle ermöglicht, ohne dass größere Verdrehmomente erforderlich werden.
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Zur Ausgestaltung eines Wälzlagers mit zwischen dem Nockenelement und der Außenseite der Außenwelle angeordneten Wälzkörpern können mehrere Varianten vorgesehen werden. Beispielsweise kann das Nockenelement eine Aufnahmebohrung zur Aufnahme der Wälzkörper aufweisen, wobei die Wälzkörper gegen die Innenoberfläche der Aufnahmebohrung anliegen können. Damit können die Wälzkörper unmittelbar in der Bohrung im Nockenelement abwälzen, sodass das Nockenelement zugleich die Funktion eines Lageraußenringes einnimmt.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Wälzkörper auch gegen die Außenseite der Außenwelle in direktem Kontakt anliegen, sodass die Außenseite der Außenwelle einen Lagerinnenring bildet, auf dem die Wälzkörper abwälzen können.
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Als alternative Ausgestaltung zur direkten Aufnahme der Wälzkörper in der Aufnahmebohrung des Nockenelementes und auf der Außenseite der Außenwelle besteht die weitere Möglichkeit, eine Lagerung mit einem Lageraußenring und/oder mit einem Lagerinnenring zu schaffen. Beispielsweise kann die Lagerung einen Lageraußenring umfassen, der in der Aufnahmebohrung des Nockenelementes einsitzt und gegen den die Wälzkörper anliegen. Unabhängig von der Anordnung eines Lageraußenringes kann auch ein Lagerinnenring vorgesehen werden, der auf der Außenseite der Außenwelle aufsitzt und gegen den die Wälzkörper anliegen und abwälzen.
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Die Wälzkörper können beispielsweise Nadeln oder Rollen bilden, wobei auch Kugeln vorgesehen werden können, die zwischen der Außenseite der Außenwelle und dem Nockenelement angeordnet werden. Beispielsweise können zwei Kugellagersätze vorgesehen sein, die in den Außenbereichen der Aufnahmebohrung einsitzen.
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Mit weiterem Vorteil kann in der Außenseite der Außenwelle eine umlaufende Lagernut eingebracht sein, in der die Wälzkörper wenigstens mit einem Teil ihres Durchmessers einsitzen. Die Lagernut hat dabei einen geringeren Durchmesser als der Durchmesser der Außenseite der Außenwelle. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Wälzkörper mit einem größeren Durchmesser vorgesehen werden können, ohne dass die geometrischen Grundabmessungen einer verstellbaren Nockenwelle verändert werden müssen. Jedoch sollte die Lagernut nicht zu tief in die Außenwelle eingebracht werden, sodass die Außenwelle nicht nachhaltig geschwächt wird.
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Das Nockenelement kann mit einem Bolzen verdrehfest mit der Innenwelle verbunden sein, und dieser kann durch eine Öffnung in der Außenwelle geführt werden, wobei die Lagerung axial benachbart zum Bolzen beziehungsweise zur Öffnung angeordnet werden kann. Dadurch stört die Anordnung des Bolzens nicht die Aufnahme von Wälzkörpern zwischen dem Nockenelement und der Außenseite der Außenwelle. Insbesondere kann das Nockenelement einen Nockenbund aufweisen, der seitlich an einem Grundkörper des Nockenelementes angeformt ist. Dabei können die Wälzkörper in der Länge auf die Breite des Grundkörpers begrenzt sein. So können sich die Wälzkörper in der Aufnahmebohrung innerhalb beziehungsweise unterhalb des Grundkörpers befinden und seitlich schließt sich der Nockenbund an, der zur Aufnahme des Bolzens dient.
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Mit weiterem Vorteil kann zwischen dem Nockenbund und der Außenseite der Außenwelle ein Gleitkontakt, insbesondere unter Bildung eines Gleitlagers ausgebildet sein. Damit kann eine weitere Stabilisierung des Nockenelementes auf der Außenwelle gegen Verkippung weitergebildet werden, sodass eine Lagerkombination zwischen einem Wälzlager und einem Gleitlager zur Aufnahme eines Nockenelementes auf der Außenwelle geschaffen wird. Insbesondere eine solche Kombination aus Gleitlager und Wälzlager schafft besondere Vorteile hinsichtlich eines minimalen Verschleißes, einer leichten Verstellmöglichkeit und einem minimalen Verkippen des Nockenelementes auf der Außenwelle.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Lagerung zur Aufnahme des Nockenelementes auf der Außenwelle kann ein Lagerkäfig vorgesehen sein, in dem die Wälzkörper, insbesondere selbsthaltend, aufgenommen sind. Auch besteht die Möglichkeit, am Nockenelement Sicherungsscheiben anzubringen, um den Lagerkäfig mit den Wälzkörpern in der Axialposition zu fixieren.
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BEVORZUGTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL DER ERFINDUNG
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine Querschnittsansicht einer verstellbaren Nockenwelle mit einem Nockenelement, das erfindungsgemäß über Wälzkörper auf der Außenseite einer Außenwelle aufgenommen ist,
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2 eine quergeschnittene Ansicht einer Außenwelle für eine verstellbare Nockenwelle zur Aufnahme von Wälzkörpern auf der Außenseite der Außenwelle,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer verstellbaren Nockenwelle mit einer Lagerung, die durch ein Wälzlager mit Wälzkörpern ausgebildet ist und
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4 eine perspektivische Ansicht einer verstellbaren Nockenwelle mit einem Nockenelement, das über Wälzkörper auf der Außenwelle aufgenommen ist.
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1 zeigt einen quergeschnittenen Abschnitt einer verstellbaren Nockenwelle 1, die für den Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine dienen kann. Die Nockenwelle 1 weist eine Außenwelle 10 und eine sich durch die Außenwelle 10 hindurch erstreckende Innenwelle 11 auf, wobei die Innenwelle 11 in der Außenwelle 10 verdrehbar ist. Auf der Außenseite der Außenwelle 10 ist ein Nockenelement 12 angeordnet, das über einen Bolzen 19 mit der Innenwelle 11 drehfest verbunden ist. Das Nockenelement 12 ist dabei unter Bildung einer Lagerung 13 drehbar auf der Außenseite 14 der Außenwelle 10 aufgenommen.
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Die Lagerung 13 weist Wälzkörper 15 auf, die sich in der Aufnahmebohrung im Nockenelement 12 befinden und über die das Nockenelement 12 auf der Außenseite 14 der Außenwelle 10 gelagert ist. Dabei ist beispielhaft ein oberer Wälzkörper 15 geschnitten und ein unterer Wälzkörper 15 ungeschnitten dargestellt. Die Wälzkörper 15 sind als Nadeln ausgebildet und es sind über den Umfang verteilt in gleichem Abstand mehrere Nadeln zwischen dem Nockenelement 12 und der Außenseite 14 der Außenwelle 10 angeordnet.
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Das Nockenelement 12 weist einen Grundkörper 22 und einen Nockenbund 21 auf. Der Grundkörper 22 weist außenseitig eine Nockenbahn 24 auf, über die durch ein Abgriffselement eine Steuerbewegung für ein Ventil der Brennkraftmaschine abgegriffen wird. Seitlich an den Grundkörper 22 schließt sich der Nockenbund 21 an, und die Wälzkörper 15 weisen eine Länge auf, die auf die Breite des Grundkörpers 22 begrenzt ist. Damit befinden sich unter dem Nockenbund 21 keine Wälzkörper, und der Bolzen 19 kann im Nockenbund 21 angeordnet werden.
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Die über die Nockenbahn 24 periodisch auf den Grundkörper 22 einwirkenden Kräfte werden über die Wälzkörper 15 aufgenommen, sodass die Wälzkörper 15 unter dem Krafteinleitungsbereich der Kräfte auf das Nockenelement 12 angeordnet sind. Dadurch wird im Betrieb der Nockenwelle 1 erreicht, dass das Nockenelement 12 im Wesentlichen verkippungsfrei auf der Außenseite 14 der Außenwelle 10 aufsitzt, wobei zwischen dem Nockenbund 21 und der Außenseite 14 der Außenwelle 10 zusätzlich ein Gleitkontakt vorgesehen sein kann.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht der Außenwelle 10 mit in dieser eingebrachten Öffnungen 20 zum Hindurchführen des Bolzens 19. In der Außenseite 14 der Außenwelle 10 ist zur Aufnahme der Wälzkörper 15 eine Lagernut 18 eingebracht, die eine Breite aufweist, die im Wesentlichen der Länge der Wälzkörper 15 entspricht. Dadurch bewirkt die Lagernut 18 eine axiale Führung der Wälzkörper 15. Ein wesentlicher Vorteil der Lagernut 18 besteht in der Möglichkeit, das ohne bauliche Änderungen der Nockenwelle 1 vorzunehmen die Wälzkörper 15 mit einem angepassten Durchmesser ausgeführt werden können, und beispielsweise kann die Lagernut 18 eine radiale Tiefe aufweisen, die etwa dem halben Durchmesser der Wälzkörper 15 entspricht.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer verstellbaren Nockenwelle 1 mit einer Außenwelle 10 und einer Innenwelle 11 und auf der Außenseite 14 der Außenwelle 10 ist ein Nockenelement 12 über eine Lagerung 13 aufgenommen. Die Lagerung 13 ist als vollständiges Wälzlager mit einem Lageraußenring 16 und mit einem Lagerinnenring 17 ausgeführt, und zwischen dem Lageraußenring 16 und dem Lagerinnenring 17 befinden sich die Wälzkörper 15. Damit wälzen die Wälzkörper 15 gegen den Lageraußenring 16 und den Lagerinnenring 17 ab, und der Lageraußenring 16 ist in der Aufnahmebohrung im Nockenelement 12 eingesetzt, und der Lagerinnenring 17 ist auf der Außenseite 14 der Außenwelle 10 aufgebracht.
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Die Wälzlagerung mit den Wälzkörpern 15, dem Lageraußenring 16 und dem Lagerinnenring 17 befindet sich unter dem Grundkörper 22, und damit seitlich zum Nockenbund 21 mit dem Bolzen 19.
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Wird die Innenwelle 11 relativ zur Außenwelle 10 um die Wellenachse 23 verdreht, so schwenkt der mit der Innenwelle 11 verbundene Bolzen 19 in den länglich ausgebildeten Öffnungen 20 in der Außenwelle 10. Dadurch wälzen die Wälzkörper 15 gegen die Ringe 16 und 17 ab, und das Nockenelement 12 kann gegenüber der Außenwelle 10 gemeinsam mit der Innenwelle 11 verschwenken.
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4 zeigt schließlich eine perspektivische Ansicht der verstellbaren Nockenwelle 1 mit der Außenwelle 10, die sich in der Wellenachse 23 erstreckt und auf der Außenwelle 10 ist das Nockenelement 12 über die Lagerung 13 aufgenommen. Die perspektivische Ansicht zeigt eine Vielzahl von Wälzkörpern 15 zur Bildung der Lagerung 13, die sich unterhalb des Grundkörpers 22 des Nockenelementes 12 befinden. Der sich seitlich zum Grundkörper 22 anschließende Nockenbund 21 dient zur Aufnahme des Bolzens 19.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- verstellbare Nockenwelle
- 10
- Außenwelle
- 11
- Innenwelle
- 12
- Nockenelement
- 13
- Lagerung
- 14
- Außenseite
- 15
- Wälzkörper
- 16
- Lageraußenring
- 17
- Lagerinnenring
- 18
- Lagernut
- 19
- Bolzen
- 20
- Öffnung
- 21
- Nockenbund
- 22
- Grundkörper
- 23
- Wellenachse
- 24
- Nockenbahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005014680 A1 [0002]
