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Die
Erfindung betrifft eine gebaute Nockenwelle zur Steuerung von Gaswechselventilen
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Gebaute
oder zusammengesetzte Nockenwellen der eingangs genannten Art sind
zum Beispiel aus der
DE
197 10 847 C2 und der
EP 1 741 945 A1 bekannt. Um die auf die Nockenwellen
aufgeschobenen Nockenelemente drehfest und axial unverschiebbar
auf der Welle festzuhalten, sind die Wellen dort an ihrem äußeren
Umfang mit einer feinen Verzahnung versehen, die sich in die Begrenzungswand der
Durchgangsöffnung der Nockenelemente einschneidet oder
eingräbt und dadurch für eine form- und reibschlüssige
Verbindung zwischen der Welle und den auf die Welle aufgeschobenen
Nockenelementen sorgt. Der wesentliche Vorteil gebauter oder zusammengesetzter
Nockenwellen besteht darin, dass die Nockenelemente weitgehend vorgefertigt werden
können, wodurch eine aufwändige Nachbearbeitung
der fertigen Nockenwelle entbehrlich wird.
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Die
bekannten Nockenwellen, bei denen die Nockenelemente reib- und formschlüssig
mit der Welle verbunden sind, haben jedoch den Nachteil, dass es
infolge einer Wärmedehnung oder Kälteschrumpfung
der Welle zu einer unerwünschten axialen Relativbewegung
der Nockenelemente in Bezug zu zugehörigen, mit den Nocken
der Nockenelemente im Eingriff stehenden Steuerelementen der Gaswechselventile
kommt, wie zum Beispiel Rollen von Rollenschlepphebeln.
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Weiter
sind aus der
DE
10 2004 021 375 A1 der Anmelderin auch bereits gebaute
Nockenwellen bekannt, bei denen Nockenelemente mit Bewegungsspiel
drehfest und axial verschiebbar auf die Nockenwelle aufgeschoben
sind. Die Nockenelemente tragen jeweils zwei im Abstand voneinander angeordnete
Nocken, welche zur Ansteuerung zweier Gaswechselventile eines Zylinders
der Brennkraftmaschine dienen. Um eine drehzahlabhängige
Veränderung der Öffnungszeiten und/oder des Hubs
der Gaswechselventile und damit eine Verbesserung der thermodynamischen
Eigenschaften der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, weisen
die beiden Nocken jeweils mehrere Nockenlaufbahnen mit unterschiedlichen
Konturen auf, die sich durch axiale Verschiebung der Nockenelemente
wahlweise mit einer Rolle eines Rollenschlepphebels des zugehörigen
Gaswechselventils in Eingriff bringen lassen. Die Nockenwellen sind
dort in Drehlagern gelagert, welche die Nockenelemente zwischen
den beiden Nocken umgeben, wobei entgegengesetzte Stirnflächen
der Drehlager als Anschlag dienen, um die axiale Ver schiebung der
Nockenelemente in Bezug zur Welle und zu einem Gehäuse
der Brennkraftmaschine zu begrenzen.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gebaute Nockenwelle
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass es bei
einer Wärmedehnung oder Kälteschrumpfung der Welle
nicht zu einer axialen Relativbewegung zwischen den Nockenelementen
und den mit den Nocken der Nockenelemente zusammenwirkenden Steuerelementen
der Gaswechselventile kommt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Nockenelemente mit Bewegungsspiel auf die Welle aufgeschoben
sind und von mindestens einem Drehlager der Nockenwelle in Bezug
zu einem Gehäuse der Brennkraftmaschine in axialer Richtung
der Nockenwelle unverschiebbar festgehalten werden.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, durch eine solche Entkopplung
der Nockenelemente von der Welle Relativbewegungen zwischen ihren Nocken
und den jeweils zugehörigen Steuerelementen infolge einer
Wärmedehnung oder Kälteschrumpfung der Welle zu
vermeiden. Außerdem führt die Entkopplung der
Nockenelemente von der Welle auch noch zu einer Reduzierung der
in den Drehlagern auftretenden, durch eine Biegung der Nockenwelle
verursachten Reibkräfte, wodurch sich der Drehwiderstand
der Nockenwelle und damit auch der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine
verringern lässt.
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Da
es möglich ist, die Nockenelemente erst im Zuge der Montage
der Nockenwelle im Gehäuse der Brennkraftmaschine auf die
Nockenwelle aufzuschieben, so dass im Unterschied zu den Nockenelementen
der bekannten gebauten Nockenwellen keine maschinelle Vormontage
erforderlich ist, führt die erfindungsgemäße
Merkmalskombination darüber hinaus zu einer höheren
Flexibilität im Hinblick auf unterschiedliche Paarungen
von Wellen und Nockenelementen, zum Beispiel unterschiedliche Materialpaarungen,
sowie im Hinblick auf eine Veränderung der Drehlage der
Nockenelemente in Bezug zur Welle, die eine einfachere Anpassung
an andere Steuerzeiten erlaubt.
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Um
für eine drehfeste Verbindung zwischen der Welle und den
Nockenelementen zu sorgen, ist die Welle zweckmäßig
im Bereich der darauf montierten Nockenelemente mit einer Außenverzahnung versehen,
während die Durchgangsöffnungen der Nockenelemente
in ihrer Begrenzungswand mit einer zu der Außenverzahnung
der Welle komplementären Innenverzahnung versehen sind,
die sich mit Bewegungsspiel über die Au ßenverzahnung
schieben lässt. Die Außenverzahnungen weisen vorzugsweise Zähne
auf, die über zylindrische Abschnitte der Welle zwischen
den benachbarten Außenverzahnungen überstehen,
so dass sich bei Bedarf mehrere Nockenelemente nacheinander von
einer Seite oder von beiden Seiten her auf die Welle aufschieben
lassen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dient jedes der Nockenelemente
zu Ansteuerung zweier Gaswechselventile eines Zylinders und weist
zu diesem Zweck zwei im Abstand angeordnete Nockenabschnitte auf,
die jeweils mit einem zur Ansteuerung eines Gaswechselventils dienenden
Nocken versehen sind.
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Um
ein derartiges Nockenelement axial unverschiebbar zu halten, ist
gemäß einer ersten bevorzugten Alternative zwischen
den beiden Nocken ein ortsfest im Gehäuse der Brennkraftmaschine
montiertes Drehlager derart angeordnet, dass es mit zwei entgegengesetzten
Stirnflächen gegen gegenüberliegende oder benachbarte
Ringschultern des Nockenelements anliegt und auf diese Weise nach
der Montage der Nockenwelle eine Verschiebung des Nockenelements
in Bezug zum Zylinderkopfgehäuse verhindert.
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Gemäß einer
zweiten Alternative kann jedoch auch jeweils ein ortsfest im Gehäuse
der Brennkraftmaschine montiertes Drehlager an den beiden entgegengesetzten
Stirnenden jedes Nockenelements angeordnet werden. In diesem Fall
ist der Abstand der beiden Drehlager zweckmäßig
so gewählt, dass die Nockenabschnitte des Nockenelements
mit geringem Spiel zwischen die beiden Drehlager passen, wodurch
diese nach der Montage der Nockenwelle mit einander zugewandten
Stirnflächen gegen entgegengesetzte Ringschultern des Nockenelements
anliegen und auf diese Weise eine Verschiebung desselben in Bezug
zum Zylinderkopfgehäuse verhindern.
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Bei
beiden Alternativen sind die Drehlager jeweils so ausgebildet, dass
sie das Nockenelement umschließen. Neben diesen ein Nockenelement
umgebenden Drehlagern können jedoch ggf. ein oder mehrere
weitere Drehlager vorgesehen sein, in denen die Welle selbst gelagert
ist, beispielsweise im Bereich von einem oder beiden Stirnenden
der Welle. Als Drehlager werden zweckmäßig Gleitlager
verwendet, die eine mit einer zylindrischen äußeren
Umfangsfläche des Nockenelements zusammenwirkende innere
zylindrische Lageroberfläche aufweisen.
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Eine
dritte Alternative sieht vor, dass zwischen zwei benachbarten Nockenelementen
jeweils mindestens ein Drehlager angeordnet ist und mit zwei entgegengesetzten
Stirnflächen gegen gegenüberliegende Stirnflächen
der Nockenelemente anliegt, um nach der Montage der Nockenwelle
im Zylinderkopfgehäuse eine axiale Verschiebung der Nockenelemente
zu verhindern. In diesem Fall umschließen die Drehlager
zweckmäßig die Welle selbst und nicht die Nockenelemente.
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Bei
sämtlichen Alternativen umfassen die Drehlager bevorzugt
zwei miteinander verbundene Lagerhalbschalen, die eine gemeinsame
Trennebene aufweisen, wobei die oberhalb der Trennebene angeordneten
Lagerhalbschalen und die unterhalb der Trennebene angeordneten Lagerhalbschalen
jeweils zu einem Leiterrahmen zusammengefasst sind. Auf diese Weise
kann die Beschichtung der Drehlager erheblich erleichtert werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer gebauten Nockenwelle;
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2 eine
Seitenansicht der Nockenwelle sowie von Drehlagern der Nockenwelle;
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3 eine
Ansicht entsprechend 2, jedoch mit einer anderen
Anordnung der Drehlager;
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4 eine
Ansicht entsprechend 2, jedoch mit einer Abwandlung
der Nockenwelle und einer noch anderen Anordnung der Drehlager.
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Die
in der Zeichnung dargestellte gebaute Nockenwelle 1 für
einen 4-Zylinder-Reihenmotor dient zur Steuerung von jeweils zwei
Ein- oder Auslassventilen der vier Zylinder des Motors und besteht aus
einer langgestreckten, im Wesentlichen zylindrischen Welle 2,
mehreren im axialen Abstand der Zylinder drehfest auf der Welle 2 montierten
Nockenelementen 3, einem an einem Stirnende der Nockenwelle 1 drehfest
auf der Welle 2 montierten Antriebszahnrad 4,
sowie einem am entgegengesetzten Stirnende drehfest auf der Welle 2 montierten
Nockenstück 5. Die Nockenwelle 1 ist
entlang ihrer Länge in mehreren Gleitlagern 6 drehbar
gelagert, die ortsfest in einem Zylinderkopfgehäuse (nicht
dargestellt) des Motors montiert sind.
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Entlang
der Abschnitte, in denen die Nockenelemente 3 auf der Welle 2 montiert
sind, ist diese letztere jeweils mit einer Außenverzahnung 7 versehen,
die sich um den gesamten Umfang der Welle 2 herum erstreckt.
Die Zähne der Außenverzahnung 7 stehen
dabei über zylindrische Umfangsflächenabschnitte 8 der
Welle 2 zwischen den benachbarten, mit der Außenverzahnung 7 versehenen
Abschnitten der Welle 2 über.
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Die
im Wesentlichen hohlzylindrischen Nockenelemente 3 weisen
jeweils einen Mittelabschnitt 9 mit einer zylindrischen
Umfangsfläche, zwei schmalere, an entgegengesetzte Seiten
des Mittelabschnitts 9 angrenzende kreisringförmige
Abschnitte 10 mit einem gegenüber dem Mittelabschnitt 9 größeren
Durchmesser und zwei an die kreisringförmigen Abschnitte 10 angrenzende
Nockenabschnitte 11 auf. Jeder der beiden Nockenabschnitte 11 ist
mit einem überstehenden Nocken 12 versehen, dessen Nockenlaufbahn 13 im
Betrieb des Motors mit einer Rolle eines Rollenschlepphebels (nicht
dargestellt) von einem der beiden Einlass- oder Auslassventile des
zugehörigen Zylinders im ständigen Anlagekontakt
steht. Dadurch rollt die Rolle während jeder Umdrehung
der Nockenwelle 1 auf der Nockenlaufbahn 13 ab,
wobei der Rollenschlepphebel unter Öffnen des zugehörigen
Ventils verschwenkt wird, während sich die Rolle über
eine Hubkontur des Nockens 12 hinwegbewegt. Die Hubkontur
ist dabei so geformt, dass der Hub und die Öffnungszeit
des Ventils die gewünschten Werte annehmen.
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Die
Nockenelemente 3 weisen zwischen ihren entgegengesetzten
Stirnflächen außerdem eine axiale Durchgangsbohrung 14 auf,
in deren Begrenzungswand eine zur Außenverzahnung 7 der
Welle 2 komplementäre Innenverzahnung 15 eingeformt
ist. Die Verzahnungen 7 und 15 sind mit einem
ausreichenden Bewegungsspiel versehen, so dass sich die Nockenelemente 3 vor
der Montage des Antriebszahnrades 4 oder des Nockenstücks 5 entsprechend den
unterschiedlichen Öffnungszeiten der Ein- oder Auslassventile
der Zylinder in unterschiedlichen Drehstellungen nacheinander von
einem der beiden Stirnenden der Welle 2 aus auf die Welle 2 aufschieben
und entlang derselben über in die gewünschte axiale
Stellung bewegen lassen. Um die Nockenelemente 3 über
einen oder mehrere mit einer Außenverzahnung 7 versehene
Abschnitte zu verschieben, werden die Nockenelemente 3 jeweils
so gedreht, dass die überstehenden Zähne der Außenverzahnung 7 durch
Zahnlücken der Innenverzahnung 15 der Nockenelemente 3 gleiten,
und umgekehrt. Kurz vor dem Erreichen der gewünschten axialen
Stellung wird jedes Nockenelement 3 in die gewünschte
Drehstellung in Bezug zu den übrigen Nockenelementen 3 gebracht,
bevor unter Aufrechterhaltung dieser gewünschten Drehstellung
die Zähne der Innenverzahnung 15 des Nockenelements 3 in
die Zahnlücken der benachbarten Außenverzahnung 7 geschoben werden.
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Mindestens
ein Teil und vorzugsweise sämtliche der zur Lagerung der
Nockenwelle 1 dienenden Gleitlager 6 bestehen
jeweils aus zwei Lagerhalbschalen, die in einer entlang der Mittelachse
der montierten Nockenwelle 1 verlaufenden gemeinsamen Trennebene
miteinander verbunden sind. Die oberhalb der Trennebene und die
unterhalb der Trennebene angeordneten Lagerhalbschalen sind jeweils
zu einem integralen Leiterrahmen (nicht dargestellt) zusammengefasst.
Nach der Montage des Leiterrahmens mit den unteren Lagerhalbschalen
im Zylinderkopfgehäuse wird die Nockenwelle 1 mit
den aufgeschobenen Nockenelementen 3, dem Antriebszahnrad 4 und
dem Nockenstück 5 von oben in die unteren Lagerhalbschalen
eingelegt, bevor dann der Leiterrahmen mit den oberen Lagerhalbschalen
auf den Leiterrahmen mit den unteren Lagerhalbschalen aufgesetzt
und durch Schrauben mit diesem verbunden wird.
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Die
in 1 und 2 dargestellte Nockenwelle 1 ist
in insgesamt fünf Drehlagern 6 gelagert, von denen
eines in der Nähe des Antriebszahnrades 4 die
Welle 2 selbst umgibt, während die übrigen
vier Drehlager 6 jeweils eines der vier Nockenelemente 3 im
Bereich seines Mittelabschnitts 9 umgeben. Jedes dieser
vier Drehlager 6 ist dabei so bemessen, dass es mit leichtem
Spiel zwischen die beiden an den Mittelabschnitt 9 angrenzenden
kreisringförmigen Abschnitte 10 des Nockenelements 3 passt.
Dadurch liegen entgegengesetzte Stirnflächen 16 des
Drehlagers 6 gegen eine zwischen dem Mittelabschnitt 8 und
dem benachbarten kreisringförmigen Abschnitt 10 gebildete
Ringschulter 17 an und verhindern dadurch jegliche axiale
Verschiebung des Nockenelements 3 in Bezug zum Zylinderkopfgehäuse,
insbesondere im Falle einer axialen Wärmedehnung oder Kälteschrumpfung
der Welle 3, die sich in einem solchen Fall wegen des Bewegungsspiels
zwischen den Verzahnungen 15, 7 der Nockenelemente 3 und
der Welle 2 innerhalb der ersteren axial verschieben kann.
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Die
in 3 dargestellte Nockenwelle 1 weist denselben
Aufbau wie die in 1 und 2 dargestellte
Nockenwelle 1 auf und ist wie diese in insgesamt fünf
Drehlagern 6 gelagert. Anders als bei dem Ausführungsbeispiel
in 1 und 2 umgeben jedoch alle fünf
Drehlager 6 die Welle 2 selbst auf den zu den
Wellenabschnitten mit den Außenverzahnungen 7 benachbarten
zylindrischen Wellenabschnitten 8. Die Drehlager 6 sind
dabei so bemessen, dass die Nockenelemente 3 mit geringem
axialem Spiel zwischen zwei benachbarte Drehlager 6 passen.
Diese liegen somit nach der Montage der Nockenwelle 1 mit
ihren entgegengesetzten Stirnflächen 16 gegen
benachbarte Stirnflächen 18 der Nockenelemente 3 an
und verhindern dadurch eine axiale Verschiebung der Nockenelemente 3.
Dabei brauchen sich die Drehlager 6 nicht über
die gesamte Strecke zwischen den benachbarten Nockenelementen 3 erstrecken,
wie in 3 dargestellt. Stattdessen können sie
an ihren entgegengesetzten Stirnenden mit axial überstehenden
Abstandhaltern (nicht dargestellt) versehen sein, die für
die Einhaltung eines gewünschten Abstands zwischen den
Nockenelementen 3 und deren Fixierung in Bezug zum Zylinderkopfgehäuse
sorgen. Weiter können an Stelle eines einzigen Drehlagers
zwischen zwei benachbarten Nockenelementen 3 selbstverständlich
auch zwei schmalere, im axialen Abstand voneinander angeordnete
Drehlager vorgesehen sein (nicht dargestellt).
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Bei
der in 4 dargestellten Nockenwelle 1 erstrecken
sich die beiden Nockenabschnitte 11 jedes Nockenelements 3 nicht
bis zu dessen Stirnflächen 18. Statt dessen weist
dort jedes Nockenelement 3 an seinen entgegengesetzten
Stirnenden einen zusätzlichen Lagerabschnitt 19 für
eines von zwei Gleitlagern 6 auf, in denen jedes Nockenelement 3 gelagert
ist. Der Außendurchmesser der beiden Lagerabschnitte 19 ist
kleiner als ein Grundkreisdurchmesser der Nocken 12 auf
dem jeweils benachbarten Nockenabschnitt 11, so dass zwischen
den Nockenabschnitten 11 und den Lagerabschnitten 19 voneinander
abgewandte Ringschultern 20 gebildet werden. Der Abstand
zwischen den einander zugewandten Stirnflächen 21 der
beiden Drehlager 6 jedes Nockenelements 3 im Zylinderkopfgehäuse
ist dort so gewählt, dass die voneinander abgewandten Ringschultern 20 des
Nockenelements 3 bei der Montage der Nockenwelle 1 im
Zylinderkopfgehäuse mit geringem Spiel zwischen die beiden
Drehlager 6 passen. Diese liegen daher nach der Montage
der Nockenwelle 1 von entgegengesetzten Seiten gegen die
Ringschultern 20 an und verhindern eine axiale Verschiebung
der Nockenelemente 3 in Bezug zum Zylinderkopfgehäuse.
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- 1
- Nockenwelle
- 2
- Welle
- 3
- Nockenelemente
- 4
- Antriebszahnrad
- 5
- Nockenstück
- 6
- Drehlager
- 7
- Außenverzahnungen
- 8
- zylindrische
Wellenabschnitte
- 9
- Mittelabschnitte
Nockenelemente
- 10
- ringförmige
Abschnitte Nockenelemente
- 11
- Nockenabschnitte
Nockenelemente
- 12
- Nocken
- 13
- Nockenlaufbahn
- 14
- Durchgangsöffnung
- 15
- Innenverzahnung
- 16
- Stirnflächen
Drehlager
- 17
- Ringschultern
Nockenelemente
- 18
- Stirnflächen
Nockenelemente
- 19
- Lagerabschnitte
Nockenelemente
- 20
- Ringschultern
Nockenelemente
- 21
- Stirnflächen
Drehlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19710847
C2 [0002]
- - EP 1741945 A1 [0002]
- - DE 102004021375 A1 [0004]