DE3921923A1 - Nockenwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für ventilge­ steuerte Verbrennungsmotoren mit zwei ineinanderliegenden Wellenelementen, die zueinander um einen beschränkten Winkelbetrag verdrehbar sind und wobei erste Nockenele­ mente - insbesondere zur Betätigung der Einlaßventile - mit dem außenliegenden Wellenelement und zweite Nockenelemente - insbesondere zur Betätigung der Auslaßventile - mit dem innenliegenden Wellenelement verbunden sind.

Es ist bekannt, daß bei Verbrennungsmotoren im Bereich der Teillast und niedriger Drehzahlen eine geringe Über­ schneidung der Ventilöffnungsphasen von Auslaß- und Ein­ laßventilen aufgrund dynamischer Gaswechseleinflüsse sinn­ voll ist, während im Bereich höherer Drehzahlen eine er­ hebliche Überschneidung vorteilhaft ist. Sofern die Ein­ laßventile und Auslaßventile eines Verbrennungsmotors jeweils eine einzelne Nockenwelle aufweisen, ist dies mit verhältnismäßig einfachen Maßnahmen im Antrieb zu verwirk­ lichen, beispielsweise indem ein Zugtrum eines Antriebs­ riemens mittels einer Verstellrolle verkürzt oder ver­ längert wird. Bei einfacheren Motoren für die Großserie, die den Aufwand zweier getrennter Nockenwellen nicht trei­ ben, ist diese Relativverstellung der Nocken zueinander, die nicht nur im Hinblick auf günstiges Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen und hohe Leistungen bei hohen Dreh­ zahlen, sondern auch in Bezug auf Emissionswerte nach heutigem Stand der Technik zu fordern ist, innerhalb einer einzigen Nockenwelle zu lösen.

Eine Nockenwelle dieser Art ist aus der EP 02 54 058 A2 bekannt. Hierbei gleiten die dem inneren Wellenelement zugeordneten Nockenelemente mit einer zylindrischen Boh­ rung auf dem außenliegenden Wellenelement, das einen der Nockenerhebung gegenüberliegenden Umfangsschlitz aufweist, durch den ein einzelner radialer Befestigungsbolzen hin­ durchtritt, der das Nockenelement mit dem zugeordneten innenliegenden Wellenelement verbindet. Es ist offensicht­ lich, daß diese Art der punktuellen Befestigung eine Ver­ formung des innenliegenden Wellenelementes im Bereich der Bolzenbefestigung bei Drehmomentbeaufschlagung des Nockens zur Folge haben können. Hierdurch sind genaue Steuerzeiten nicht einzuhalten. Es ist mit Beschädigungen an der Be­ festigung zu rechnen.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, eine Nockenwelle der eingangs genannten Art be­ reitzustellen, bei der eine sichere und winkelgetreue Verbindung auch zwischen dem innenliegenden Wellenelement und den zugeordneten Nocken besteht. Die Lösung hierfür besteht darin, daß das außenliegende Wellenelement den Nockenerhebungen der zweiten Nockenelemente des innen­ liegenden Wellenelementes zugeordnete, auf einen Winkel­ bereich beschränkte Umfangsschlitze aufweist, durch die die auf dem ganzen Umfang mit dem innenliegenden Wellen­ element verbundenen zweiten Nockenelemente hindurchtreten, und daß im Bereich der Nockenerhebung dieser Nocken die Lauffläche von dem mit dem innenliegenden Wellenelement verbundenen zweiten Nockenelementen gebildet wird und im Bereich des Nockengrundkreises die Lauffläche von einem mit dem außenliegenden Wellenelement verbundenen Er­ gänzungselement gebildet wird. Wesentlich ist also, daß die mit einer zylindrischen Innenbohrung ausgeführten zweiten Nockenelemente das innenliegende Wellenelement unmittelbar und über den ganzen Umfang umschließen, so daß eine sichere Verbindung, beispielsweise eine kraftschlüssige Verbindung oder eine gelötete oder geschweißte Verbindung möglich ist und daß in Konsequenz hieraus die Nockenlauffläche auf die gegenüber dem äußeren Wellenelement in Umfangsrichtung verschiebbare gegenüber dem inneren Wellenelement festgelegte Nockenerhebung und auf ein Ergänzungselement, das mit dem äußeren Wellenelement fest verbunden ist, aufgeteilt ist. Sofern das äußere Wellenelement das innere unmittelbar umschließt, sind im Bereich der Nocken des innenliegenden Elementes Ausbauchungen im äußeren Wellenelementes erforderlich. Diese Ausbauchungen können dann im Bereich des Grundkreises unmittelbar die Lauffläche bilden und um einen stoßfreien Übergang zur Nockenerhebung sicherzustellen an den umfangsgerichteten Rändern des jeweiligen Schlitzes als Steg weitergeführt werden.

Sofern das äußere Wellenelement einen größeren Durchmesser aufweist und die Nocken des innenliegenden Wellenelementes innerhalb des unveränderten Rohrdurchmessers aufnehmen können, können jeweils benachbart zu den Umfangsschlitzen zusätzlich Ringkörper auf dem äußeren Wellenelement vor­ gesehen sein, die den Grundkreis der Nockenlauffläche bilden.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung weist das innen­ liegende Wellenelement einen durchgehenden Rohrkörper auf, auf dem ringförmige Nockenelemente festgelegt sind. Ein geeignetes Verbindungsverfahren besteht in einem in Ab­ schnitten vollzogenen inneren Aufweiten des Rohrkörpers im Bereich der Nockenelemente, insbesondere mit hydraulischer Umformtechnik. Ebenso ist ein vom Rohrinneren durchge­ führtes Laserschweißen unter Zuhilfenahme eines Umlenk­ spiegels möglich, wie es als solches bekannt ist.

Nach einer zweiten möglichen Ausgestaltung kann der innen­ liegende Rohrkörper aus einzelnen Abschnitten zusammenge­ setzt sein, die mit den zuvorbeschriebenen Techniken im Bereich der Nocken miteinander verbunden werden. Hierbei kann jeweils ein Nockenelement einstückig mit einem der Rohrabschnitte verbunden sein.

Das äußere Wellenelement, das zum Aufbau des innenliegen­ den Wellenelementes mit den daran befestigten Nocken aus einzelnen Rohrabschnitten zusammengesetzt sein muß, ist in bevorzugter Ausgestaltung jeweils im Bereich der Umfangs­ schlitze aus den einzelnen Rohrstücken zusammengesetzt. Hierbei können die ersten Nockenelemente, die mit dem au­ ßenliegenden Wellenelement fest verbunden sind, jeweils mit einem Rohrabschnitt einstückig sein. Das gleiche gilt für gegebenenfalls vorgesehene, gegenüber dem Rohrdurch­ messer vergrößerte Lagerzapfen. Zum Verbinden ist das Laserschweißen von stumpf aneinandergesetzten Rohrstücken das bevorzugte Herstellungsverfahren.

Die Herstellung der Nockenwelle erfolgt in der Weise, daß die einzelnen Rohrabschnitte des außenliegenden Elementes in der erforderlichen Reihenfolge, insbesondere mittels einer Hilfs- und Montagevorrichtung aneinandergesetzt werden, wobei ggf. separate Nockenelemente für die mit dem äußeren Wellenelement zu verbindenden Einlaßnocken bereits auf die Rohrabschnitte aufgebracht sind, und dabei im Bereich der Umfangsschlitze die Nockenelemente zur Verbindung mit dem innenliegenden Wellenelement eingesetzt werden. Die einzelnen Rohrstücke des außenliegenden Wellenelementes sind nunmehr durch Schweißen miteinander zu verbinden, sofern die Nocken des außenliegenen Elemen­ tes nicht einstückig mit einzelnen Rohrabschnitten sind, sind diese Nocken bereits vor dem Zusammenschweißen der einzelnen Rohrabschnitte mit jeweils einem entsprechenden Rohrstück zu verbinden, z. B. auch durch hydraulisches Aufweiten des Rohrelementes. Nach dem Fertigstellen des aufliegenden Wellenelementes mit darin bereits eingelegten Nocken, die mit dem innenliegenden Wellenelement zu verbinden ist, ist dieses axial einzuschieben und mit den einzelnen Nocken nach entsprechender Ausrichtung mittels geeigneter Vorrichtungen zu verbinden, beispielsweise wiederum durch hydraulisches Aufweiten in einzelnen Abschnitten. Anstelle des kraftschlüssigen Verbindens kann auch eine stoffschlüssige Verbindung mittels Schweißtechnik erfolgen, wobei jeweils aus dem Rohrinneren heraus mittels durch Spiegel umgelenkte Laserstrahlen geschweißt werden kann. Die Aufweitungen des außenliegenden Rohrelementes im Bereich der Nocken des innenliegenden Rohrelementes kann ebenfalls mittels hydraulischer Umformtechnik jedoch in einem Gesenk erfolgen, wobei anschließend die Umfangsschlitze einzufräsen sind.

In an sich bekannter Weise ist eine Verstellvorrichtung an einem Ende der Rohrkörper vorzusehen, die ein axial ver­ schiebliches Koppelelement umfaßt, das gegenüber dem einen Rohrkörper drehfest geführt ist und gegenüber dem anderen Rohrkörper nach Art einer Spindel-Mutter-Verbindung in drehverstellendem Eingriff ist. Zur Verstellung kann ein axial wirkender Hydraulik-Zylinder vorgesehen sein, der bei Verschiebung des Koppelelementes die beiden Wellen­ elemente gegeneinander verdreht. Eines der beiden Wellen­ elemente, vorzugsweise das außenliegende, ist mit einem Antriebsritzel zu versehen. Selbstverständlich kann auf eine derartige Verstellvorrichtung innerhalb der Welle auch verzichtet werden, wenn jedes der Wellenelemente ein eigenes Antriebsritzel hat, deren Antriebszahnräder grund­ sätzlich miteinander im Gleichlauf, in der Phasenlage jedoch gegeneinander verstellbar sind.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt.

Im einzelnen ist ein innenliegendes rohrförmiges Wellenelement 1, ein außenliegendes Wellenelement 2 und eine Verstellvorrichtung 3 erkennbar. Das außenliegende Wellenelement 2 besteht aus ersten Längsabschnitten 4, in denen ein Umfangsschlitz 5 vorgesehen ist, zweiten Längsab­ schnitten 6, die einen Einlaßnocken 7 tragen und dritten Längsabschnitten 8, die einstückig einen Lagerzapfen 9 umfassen. Die ersten Längsabschnitte 4 weisen Ausbauchun­ gen 10 auf, in denen der Grundkreis der Auslaßnocken 11 aufgenommen wird, wobei diese Ausbauchungen 10 sich in Stege 12, 13 fortsetzen, die seitlich zum Umfangsschlitz 5 einen Teil der Nockenlaufbahnen bilden. Die Auslaßnocken 11 weisen am Umfang Absätze 14, 15 auf, die den Übergang von der wirksamen Nockenlaufbahn zum ergänzenden Grund­ kreis darstellen. Die Verstellvorrichtung besteht im ein­ zelnen aus einem Innenkörper 16, der mit dem innenliegen­ den Wellenelement 1 verbunden ist und einer Außenhülse 17, die mit dem außenliegenden Wellenelement 2 verbunden ist. Weiter ist ein Koppelelement 18 vorgesehen, das mit einer Außenverzahnung 19 des Innenkörpers 16 und einer Innenver­ zahnung 20 der Außenhülse 17 im Eingriff steht. Eine der beiden Verzahnungen ist eine Axialverzahnung, während die zweite der beiden Verzahnungen eine außerhalb der Selbst­ hemmung liegende Schrägverzahnung ist. Das Koppelelement 18 ist über eine Feder 21 gegenüber dem Innenkörper 16 abgestützt. Entgegen der Federkraft wird es von einem Druckkolben 22 beaufschlagt, der innerhalb des Hydraulik­ zylinders 23 axial verschiebbar ist und über eine axiale Ölzuführung 24 druckbeaufschlagbar ist.

Claims (18)

1. Nockenwelle für ventilgesteuerte Verbrennungsmotoren mit zwei ineinanderliegenden Wellenelementen (1, 2), die zueinander um einen beschränkten Winkelbetrag verdrehbar sind, wobei erste Nockenelemente (7) - insbesondere zur Betätigung der Einlaßventile - mit dem außenliegenden Wellenelement (2) und zweite Nockenelemente (11) - insbesondere zur Betätigung der Auslaßventile - mit dem innenliegenden Wellenelement (1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das außenliegende Wellenelement (2) den Nockener­ hebungen der zweiten Nockenelemente (11) des innenlie­ genden Wellenelementes (1) zugeordnete, auf einen Winkelbereich beschränkte Umfangsschlitze (5) auf­ weist, durch die die Nockenerhebungen der auf dem ganzen Umfang mit dem innenliegenden Wellenelement (1) verbundenen zweiten Nockenelemente (11) hindurchtre­ ten, und daß im Bereich der Nockenerhebung dieser Nocken die Lauffläche von dem mit dem innenliegenden Wellenelement (1) verbundenen zweiten Nockenelement (11) gebildet wird und im Bereich des Nockengrund­ kreises die Lauffläche von einem mit dem außenliegen­ den Wellenelement (2) verbundenen Ergänzungselement gebildet wird.

2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergänzungselemente durch eine Ausbauchung (10) des außenliegenden Wellenelementes (2) gebildet sind.

3. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergänzungselemente aus zumindest einem, bevor­ zugt zwei, jeweils benachbart zu einem Umfangsschlitz (5) angeordneten, auf dem außenliegenden Wellenelement (2) befestigten Ringkörpern gebildet sind.

4. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Nockenelemente (11) auf dem innen­ liegenden Wellenelement (1) einzeln festgelegte Rin­ gelemente sind.

5. Nockenwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das innenliegende Wellenelement ein durchgehender Rohrkörper ist.

6. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das innenliegende Wellenelement (1) aus insbesondere im Bereich der zweiten Elemente (11) aus ineinandergesteckten Rohrabschnitten besteht.

7. Nockenwelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichent, daß jeweils ein zweites Element (11) mit einem Rohrab­ schnitt einstückig verbunden ist, insbesondere aus dem Rohrmaterial ausgeformt ist.

8. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elemente (11) mit dem Rohrkörper (1) und/oder die Rohrabschnitte miteinander kraftschlüssig verbunden sind.

9. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Elemente (11) mit dem Rohrkörper (1) und/oder die Rohrabschnitte miteinander stoffschlüssig durch Schweißen oder Löten verbunden sind.

10. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Wellenelement (2) aus einzelnen Rohrab­ schnitten (4, 6, 8) zusammengesetzt ist.

11. Nockenwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elemente (7) jeweils einstückig mit einem Rohrabschnitt (6) des äußeren Wellenelementes (2) ausgebildet sind.

12. Nockenwelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Lagerzapfen (9) jeweils einstückig mit einem Rohr­ abschnitt (8) des äußeren Wellenelementes (2) ausge­ bildet sind.

13. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrabschnitte (4, 6, 8) des äußeren Wellen­ elementes stumpf miteinander verschweißt sind.

14. Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verstellvorrichtung (3) an einem Ende der Wel­ lenelemente (1, 2) vorgesehen ist, die ein axialver­ schiebliches Koppelelement (18) umfaßt, das gegenüber dem einen Wellenelement (1, 2) drehfest geführt ist und mit dem anderen Wellenelement (2, 1) nach Art einer Spindel-Mutter-Verbindung in drehverstellendem Ein­ griff ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Hydraulikzylinder (22, 24) zur Axialverschiebung des Koppelelementes (18) umfaßt.

16. Verfahren zur Herstellung einer Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrabschnitte (4, 8) des äußeren Wellenele­ mentes (2) nach dem Einbringen der zweiten Nocken­ elemente (11) oder der damit verbundenen Rohrstücke des inneren Wellenelementes (1) miteinander ver­ schweißt werden.

17. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Herstellen des äußeren Wellenelementes (2) das innere Wellenelement (1) in die zweiten Nockenelemente (11) eingeschoben und diese durch in Längsabschnitten erfolgendes hydraulisches Aufweiten des Rohrkörpers kraftschlüssig festgelegt werden.

18. Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Herstellen des äußeren Wellenelementes das innere Wellenelement (1) in die zweiten Nocken­ elemente (11) eingeschoben und diese durch von innen erfolgendes Laserschweißen mittels Spiegelumlenkung festgelegt werden.