DE102004021646A1

DE102004021646A1 - Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs

Info

Publication number: DE102004021646A1
Application number: DE200410021646
Authority: DE
Inventors: Michael Schleusener; Gerald Gallacher; Torsten Eder; Leonhard Halmanseger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; PSA Automobiles SA
Priority date: 2004-05-03
Filing date: 2004-05-03
Publication date: 2005-12-01
Also published as: EP1593880A1; EP1593880B1; DE502005003945D1

Abstract

Es wird eine Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, die einen langgestreckten Wellenkörper (2) besitzt, der mit einem Schwenkhebel in Wirkverbindung stehende Exzenternocken (3) und ein Antriebsbauteil (5) zum Drehantrieb der Verstellwelle (1) aufweist, wobei der Wellenkörper (2), die Exzenternocken (3) und das Antriebsbauteil (5) getrennt voneinander gefertigt und die Exzenternocken (3) sowie das Antriebsbauteil (5) zur Bildung der Verstellwelle (1) am Wellenkörper (2) angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bekannte Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise eine Drosselklappe auf, die einen Ansaugquerschnitt im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors mehr oder weniger weit öffnet und daher die Strömungsverhältnisse im Ansaugtrakt negativ beeinflusst, da sie als Strömungswiderstand wirkt.

Zur Vermeidung dieses Problems wurden daher bereits Versuche unternommen, diese Drosselklappe dadurch wegfallen zu lassen, dass die Füllung der einzelnen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine durch eine Veränderung des Hubs der Einlassventile des Motors modifiziert wird. Zu diesem Zweck sind bereits sehr erfolgreich hubvariable Ventiltriebe zum Einsatz gekommen, die eine Laststeuerung des Motors alleine durch die veränderliche Ventilerhebung zulassen. Bei einem solchen System, welches beispielsweise anhand der DE 101 23 186 A1 bekannt ist, wirkt ein Übertragungsmechanismus zwischen den Nocken der Nockenwelle und den Ventilen, wobei der Übertragungsmechanismus Rollenschlepphebel zur Ventilbetätigung betätigt. Mittels eines elektrischen Stellmotors wird eine Verstellwelle, die als Exzenterwelle ausgebildet ist, verstellt und die Hebelgeometrie des Übertragungsmechanismus so modifiziert, dass der Hub des Einlassventils vom Nullhub bis zum Vollhub verändert werden kann.

Obwohl sich der aus der DE 101 23 186 A1 bekannte hubveränderliche Ventiltrieb in der Praxis bereits bestens bewährt hat, hat es sich gezeigt, dass die vorstehend genannte Verstellwelle Verbesserungen insbesondere hinsichtlich ihrer Herstellung und ihres Aufbaus zugänglich ist.

So handelt es sich bei der bekannten Verstellwelle für den hubvariablen Ventiltrieb um ein aufwendig herzustellendes Schmiedebauteil, bei dem ein einheitlicher Werkstoff für die komplette Welle zum Einsatz kommt und aufwendige Oberflächen- und Wärmebehandlungen erforderlich sind. Auch müssen die Konturen der einzelnen Exzenter aus Ansätzen an der Welle herausgearbeitet werden und eine nach Fertigstellung der Welle erforderliche Wärmebehandlung kann zu Ungenauigkeiten hinsichtlich des Rundlaufs der Welle und zu Abweichungen hinsichtlich der Formgenauigkeit der Welle führen.

Da sich zwischen den einzelnen Exzentern der Welle jeweils Lagerstellen befinden, an denen die Welle mittels Nadellagern gelagert werden muss, muss es sich bei diesen Nadellagern um Lager mit geteilten Lagerschalen handeln, in die in einem Kunststoffkäfig geführte Nadeln eingesetzt werden, was deutlich macht, dass es sich bei den Nadellagern um aufwendig herzustellende Sonderbauteile handelt und bei denen es aufgrund der geteilten Lagerschale zu Stoßbelastungen beim Abwälzen der Wälzkörper am Lagerstoß kommen kann.

Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die die genannten Nachteile beseitigt und deutlich kostengünstiger herzustellen ist als die bekannte geschmiedete Verstellwelle.

Die zur Lösung dieser Aufgabe geschaffene Erfindung weist die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Die vorliegende Erfindung schafft nun eine Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine, wobei die Verstellwelle einen langgestreckten Wellenkörper besitzt, der mit einem Schwenkhebel in Wirkverbindung stehende Exzenternocken und ein Antriebsbauteil zum Drehantrieb der Verstellwelle besitzt, wobei nach der Erfindung vorgesehen ist, dass der Wellenkörper, die Exzenternocken und das Antriebsbauteil getrennt voneinander gefertigt werden und die Exzenternocken sowie das Antriebsbauteil zur Bildung der Verstellwelle am Wellenkörper nach ihrer jeweiligen Fertigung angeordnet werden.

Im Gegensatz zu der bekannten einteilig ausgebildeten Verstellwelle ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass der Wellenkörper von einem zumindest abschnittsweise rohrstückförmigen hohlen Grundkörper gebildet ist, was verglichen mit der bekannten Welle einen deutlichen Kostenvorteil bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verstellwelle erbringt. Statt des genannten Rohrkörpers kann aber nach der Erfindung auch eine Vollwelle zum Einsatz kommen in der Form beispielsweise einer auch schon im Bereich der Lagerstellen fertig bearbeiteten Welle.

Bei dem Antriebsbauteil handelt es sich ganz allgemein um ein eine Verlagerung eines Abtriebsbauteils eines Antriebs in eine Drehbewegung der Verstellwelle umsetzendes Bauteil. Als Antrieb kann beispielsweise ein Elektromotor oder ein hydraulischer Antrieb zum Einsatz kommen, dessen Abtriebsbauteil verlagert wird. Das Abtriebsbauteil steht mit dem Antriebsbauteil auf dem Wellenkörper in Eingriff und kann somit die Verstellwelle verdrehen. So kann es sich bei dem Antriebsbauteil beispielsweise um eine Stirnradstufe eines Stirnradgetriebes oder eine Schneckenradstufe eines Schneckenradgetriebes oder einen Zahnstangentrieb oder einen Kurbeltrieb handeln.

Darüber hinaus können die Exzenternocken und/oder das Antriebsbauteil in der Form beispielsweise eines Schraubrads oder Schneckenrads mittels eines Stanzvorgangs gefertigt werden und nach ihrer Herstellung auf den hohlen Grundkörper aufgesetzt werden. Die nach der Erfindung vorgesehene Verstellwelle weist zu ihrer Lagerung Wellenlager auf, die von Wälzlagern oder Gleitlagern oder beiden Lagerarten gebildet sind, die mittels sich an auf dem Grundkörper angeordneten Exzenternocken abstützenden Distanzhaltern am Wellenkörper positioniert werden können, so dass auch hierdurch eine deutlich kostengünstigere Positionierung der Lager an der Verstellwelle möglich ist. Statt der Abstützung der Distanzhalter an Exzenternocken ist es auch möglich, die Distanzhalter kraftschlüssig, beispielsweise in der Form einer Presspassung am Wellenkörper anzubringen.

Das zum Drehantrieb der bekannten Verstellwelle vorgesehene Antriebsbauteil ist aus fertigungstechnischen Gründen bei dieser bekannten Verstellwelle weitgehend im Bereich der axialen Längsmitte angeordnet und führt daher zu einem Problem des sogenannten Packaging, da in diesem Bereich oftmals Zylinderkopfschrauben an dem Verbrennungsmotor vorgesehen sind und somit das Problem einer Einschränkung des Freigangs der Zylinderkopfschrauben besteht.

Da es sich bei der erfindungsgemäßen Verstellwelle um eine aus mehreren getrennt voneinander hergestellten Bestandteilen zusammengesetzten Welle handelt, ist es nach der Erfindung auch vorgesehen, dass das zum Drehantrieb der Verstellwelle vorgesehene Antriebsbauteil im Bereich eines stirnseitigen Endes des Wellenkörpers angeordnet ist, so dass das vorstehend beschriebene Packaging-Problem gelöst ist.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung können die Exzenternocken und/oder das Antriebsbauteil am Wellenkörper mittels einer drehfesten Wellen/Nabenverbindung festgelegt werden, wobei zu diesem Zweck beispielsweise eine Rändelung vorgesehen sein kann.

Die erfindungsgemäße Verstellwelle kann über das vorstehend bereits beschriebene Antriebsbauteil mittels eines damit in Wirkverbindung stehenden Elektromotors zur Dreh- bzw. Verschwenkbewegung angetrieben werden, wobei der Antrieb aufgrund der jeweiligen Endlagen der Exzenternocken relativ zum vorstehend geschilderten Übertragungsmechanismus so zu erfolgen hat, dass ein Verdrehen der Verstellwelle über einen vorbestimmten Drehwinkelbereich hinaus vermieden werden muss. Zu diesem Zweck ist es nach der Erfindung vorgesehen, dass das Antriebsbauteil mit mindestens einem Drehwinkelbegrenzungsanschlag ausgebildet ist, so dass das Antriebsbauteil neben der Funktion des Antriebs der Verstellwelle auch die Funktion der Begrenzung des Drehwinkelbereichs der Verstellwelle ausführt.

Schließlich zeichnet sich die Erfindung auch noch dadurch aus, dass der Wellenkörper und/oder die Exzenternocken und/oder das Antriebsbauteil aus unterschiedlichen Werkstoffen, den jeweiligen Anforderungsprofilen entsprechend, gefertigt werden können und somit nicht der Fall vorliegt, dass die gesamte Welle aus einem, dem am höchsten belasteten Bauteil entsprechend ausgewählten einheitlichen Werkstoff gefertigt werden muss.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur die perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Verstellwelle.
Bei der in der Zeichnung perspektivisch dargestellten erfindungsgemäßen Verstellwelle handelt es sich um eine für einen Vierzylinder-Reihenmotor mit jeweils zwei Einlassventilen vorgesehenen Verstellwelle.
Wie es ohne weiteres ersichtlich ist, weist die Verstellwelle 1 einen langgestreckten Grundkörper 2 auf, der von einem einfach und kostengünstig herzustellenden innen hohlen und damit rohrstückförmigen durchgehenden Rohrkörper gebildet ist, an dem dann nach der Herstellung der weiteren Teile der Verstellwelle diese nachträglich aufgesetzt werden können. Statt des gezeigten Rohrkörpers ist es auch möglich, eine Vollwelle einzusetzen.
Wie es ohne weiteres anhand der Zeichnung ersichtlich ist, weist die Verstellwelle nach der dargestellten Ausführungsform insgesamt acht Exzenternocken 3 auf, die beispielsweise als kostengünstig herzustellende Stanzteile gefertigt werden können und zwischen denen sich jeweils zur Lagerung der Verstellwelle vorgesehene Nadellager 4 angeordnet befinden.
Aufgrund der ganz besonderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Verstellwelle kann es sich bei diesen Nadellagern um in großen Stückzahlen hergestellte Standardlager handeln, die einen einteiligen Lageraußenring besitzen und daher keinen Stoß mehr aufweisen, wie dies bei mehrteiligen Lagerschalen der Fall ist, die bei der bekannten einteilig ausgebildeten Verstellwelle zum Einsatz kommen mussten.
Auch weist die erfindungsgemäße Verstellwelle 1 ein Antriebsbauteil 5 auf, das an einem im wesentlichen stirnseitigen Endbereich der Verstellwelle 1 angeordnet ist und somit das vorstehend geschilderte Problem des Freigangs der Zylinderkopfschrauben löst. Bei dem Antriebsbauteil handelt es sich um ein, einen Teilkreis von etwa 180° einschließendes Bauteil mit einer Außenverzahnung zum Eingriff in die Abtriebsschnecke eines nicht näher dargestellten Elektromotors, mit dem die Verstellwelle 1 so in Drehung versetzt werden kann, dass die Exzenternocken 3 den nicht dargestellten Übertragungsmechanismus so beaufschlagen, dass eine Drehung der Einlassnockenwelle zu einem Öffnen der Einlassventile des Verbrennungsmotors mit veränderbarem Hub führt. Um ein Verdrehen der Verstellwelle 1 über den konstruktiv vorgesehenen Drehwinkelbereich hinaus zu vermeiden, besitzt das Antriebsbauteil 5 zwei Drehwinkelbegrenzungsanschläge 6, in die ein nicht näher dargestelltes Bauteil zur Drehwinkelbegrenzung eingreifen kann.
Die Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, dass die erfindungsgemäße Verstellwelle wesentlich kostengünstiger hergestellt werden kann als die aus einem einteiligen Schmiedebauteil gefertigte bekannte Verstellwelle. Darüber hinaus können die die einzelnen Bestandteile der erfindungsgemäßen Verstellwelle bildenden Bauteile aus anwendungsspezifisch ausgewählten unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, die daher für die jeweilige bauteilspezifische Belastung optimiert werden können. Es ist insbesondere möglich, den rohrstückförmigen Wellengrundkörper 2 aus einem einfachen Werkstoff zu bilden, während die mechanisch höher belasteten Exzenternocken 3 aus einem entsprechend höherwertigen Werkstoff gefertigt werden. Bei der erfindungsgemäßen Verstellwelle ist es nicht mehr erforderlich, diese einer Wärmebehandlung nach ihrer Fertigung zu unterziehen, so dass das Problem eines etwaigen thermischen Verzugs der langgestreckten Welle vermieden wird. Die Verstellwelle kann aufgrund der geschlossenen Lager 4 im Gegensatz zu den bei der bekannten Welle verwendeten geteilten Lager schalen präzise gelagert werden und darüber hinaus besitzen die einen nicht geteilten Lageraußenring aufweisenden Lager eine erhöhte Tragfähigkeit. Durch die Anordnung des Antriebsbauteils an einem stirnseitigen Endbereich des Grundkörpers der Welle ist es möglich, das Problem der Einschränkung des Freigangs der Zylinderkopfschrauben des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Die zur Drehwinkelbegrenzung der Verstellwelle notwendigen Anschläge können in das Antriebsbauteil der Verstellwelle integriert werden und die zwischen den Exzenternocken vorgesehenen Lager können mittels einfachen sich gegen diese Exzenternocken abstützenden Distanzhaltern aus beispielsweise Kunststoffbuchsen präzise positioniert werden.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Welle den Vorteil auf, dass sie vollständig fertig bearbeitet und vormontiert werden kann und so am Montageband in den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors eingesetzt werden kann, ohne dass am Band weitere Arbeitsschritte anfallen.
Hinsichtlich vorstehend im einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.

Claims

Verstellwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine, mit einem langgestreckten Wellenkörper (2), der mit einem Schwenkhebel in Wirkverbindung stehende Exzenternocken (3) und ein Antriebsbauteil (5) zum Drehantrieb der Verstellwelle (1) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenkörper (2), die Exzenternocken (3) und das Antriebsbauteil (5) getrennt voneinander gefertigt und die Exzenternocken (3) sowie das Antriebsbauteil (5) zur Bildung der Verstellwelle (1) am Wellenkörper (2) angeordnet sind.
Verstellwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenkörper (2) von einem zumindest abschnittsweise rohrstückförmigen hohlen Grundkörper (2) gebildet ist.
Verstellwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenternocken (3) und/oder das Antriebsbauteil (5) mittels Stanzen gefertigt sind.
Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Wellenlager (4), die von insbesondere Wälzlagern und/oder Gleitlagern gebildet sind, die mittels sich am Wellenkörper (2) abstützenden Distanzhaltern am Wellenkörper (2) positionierbar sind.
Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsbauteil (5) im Bereich eines stirnseitigen Endes des Wellenkörpers (2) angeordnet ist.
Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenternocken (3) und/oder das Antriebsbauteil (5) am Wellenkör per (2) mittels einer drehfesten Wellen/Nabenverbindung festlegbar sind.
Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsbauteil (5) mit mindestens einem Drehwinkelbegrenzungsanschlag (6) ausgebildet ist.
Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenkörper (2) und/oder die Exzenternocken (3) und/oder das Antriebsbauteil (5) aus unterschiedlichem Werkstoff gefertigt sind.
Verstellwelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsbauteil (5) ein eine Verlagerung eines Abtriebsbauteils eines Antriebs in eine Drehbewegung der Verstellwelle umsetzendes Bauteil ist.