DE102008054254A1

DE102008054254A1 - Nockenwelle für einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008054254A1
Application number: DE102008054254A
Authority: DE
Inventors: Harald Elendt; Andreas Nendel
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2010-05-06
Also published as: US20100108006A1; US8161930B2

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Nockenwelle (1) für einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einer Trägerwelle (2) und einem darauf drehfest und axialverschiebbar angeordneten Nockenstück (3), das aus einem Nockenträger (4) und einer Hülse (5) zusammengesetzt ist, wobei der Nockenträger eine Nockengruppe (7, 8) unmittelbar benachbarter Nocken (9, 10, 11, 12) mit unterschiedlichen Nockenhüben und einen Zapfen (6) aufweist, auf dem die Hülse befestigt ist, und wobei die Hülse eine Kulisse (17) in Form einer sich über den Umfang der Hülse erstreckenden Nut aufweist, die zur Vorgabe einer axialen Kulissenbahn für einen das Nockenstück auf der Trägerwelle verschiebenden Betätigungsstift (18) dient. Die Kulisse soll durch spanloses Umformen von Blechwerkstoff zu der Hülse hergestellt sein.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Die Nockenwelle umfasst eine Trägerwelle und ein darauf drehfest und axialverschiebbar angeordnetes Nockenstück, das aus einem Nockenträger und einer Hülse zusammengesetzt ist. Der Nockenträger weist eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken mit unterschiedlichen Nockenhüben und einen Zapfen auf, auf dem die Hülse befestigt ist. Die Hülse weist eine Kulisse in Form einer sich zumindest abschnittsweise über den Umfang der Hülse erstreckenden Nut auf, die zur Vorgabe einer axialen Kulissenbahn für einen das Nockenstück auf der Trägerwelle verschiebenden Betätigungsstift dient.
Hintergrund der Erfindung
Im Gegensatz zu schaltbaren Nockenfolgern, die in Abhängigkeit ihres Schaltzustands die Übertragung von Nockenhüben auf Gaswechselventile variieren, basiert die Ventiltriebsvariabilität bei der vorliegenden Nockenwelle auf axial verla gerbaren Nockenstücken, deren unterschiedliche Nockenerhebungen selektiv mit einem starren Nockenfolger in Eingriff sind. Das Funktionsprinzip eines Ventiltriebs mit einer derartigen Nockenwelle geht detailliert aus der EP 0 798 451 B1 hervor.
Eine Nockenwelle mit gattungsgemäßem konstruktiven Aufbau ist beispielsweise in der DE 10 2004 022 849 A1 vorgeschlagen, während eine Gestaltung der auf dem Nockenträger befestigten Hülse zur Vorgabe der Kulissenbahn näher in der DE 10 2004 024 219 A1 beschrieben ist. In diesen Druckschriften ist die auf dem Zapfen des Nockenträgers befestigte Hülse als separates Bauteil aus einer Stahllegierung oder aus Sintermetall hergestellt. In beiden Fällen ist jedoch eine spanende Bearbeitung bzw. Nacharbeit der als Nut ausgebildeten Kulisse zwingend erforderlich, da die spiralförmig gekrümmten Nutwände als Hinterschnitt wirken und insofern die erforderliche Entformbarkeit eines die Hülse als Fertigteil herstellenden Schmiede-, Guss- oder Sinterwerkzeugs nicht gegeben wäre. Aus diesem Grund sind die im Stand der Technik bekannten Hülsen nur mit hohem Bearbeitungs- und folglich Kostenaufwand für die spanende Bearbeitung oder Nacharbeit der Nut herstellbar.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Nockenwelle der eingangs genannten Art dahingehend fortzubilden, dass sie bei gleicher Funktionalität großseriengerecht und insbesondere kostengünstig herstellbar ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll die Kulisse durch spanloses Umformen von Blechwerkstoff zu der Hülse hergestellt sein, die einen rohrförmigen Grundkörper und daran stirnseitig angebundene Kragen aufweist, wobei der Außenmantel des Grundkörpers als Grund der Nut und die Innenseiten der Kragen als Wände der Nut dienen. Mit anderen Worten ist es vorgeschlagen, die geometrisch äußerst komplexe und bislang nur mit hohem Aufwand hergestellte Kulisse mittels spanloser und bekanntermaßen kostengünstiger Blechumformung zu erzeugen.
In Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass sich die Kragen lediglich über einen Teilumfang des Grundkörpers erstrecken, der an einem außerhalb dieses Teilumfangs verlaufenden Längsstoß form- oder stoffschlüssig zur Rohrform zusammengeführt ist. Diese Ausgestaltung macht sich den Umstand zunutze, dass die Axialverschiebung des Nockenstücks nur während der gemeinsamen Grundkreisphase der Nocken stattfinden kann und sich dementsprechend die Nut mit ihren Wänden nicht über den vollen Umfang der Hülse erstrecken muss. Der Umformprozess der Hülse kann dann so gestaltet sein, dass zunächst ein gerader Blechstreifen mit den als Wänden der Nut dienenden abgewinkelten Kragen hergestellt wird und das so gebildete Blechprofil bei mäßigem Umformgrad zur Rohrform der Hülse umgebogen und an seinen Längsenden verbunden wird. Die Längsenden sollen vorzugsweise einen stumpfen Längsstoß bilden und miteinander verschweißt sein. Alternativ kann aber auch ein überlappender Längsstoß mit formschlüssiger Verbindung der Längsenden, wie beispielsweise eine Schwalbenschwanzverbindung oder eine punkt- oder linienförmige Clinchverbindung vorgesehen sein. Alternativ zu den vorgenannten Verbindungen mittels Längsstoß besteht zudem auch die Möglichkeit, die Hülse aus zwei nebeneinander liegenden Ringkörpern stirnseitig zu verschweißen, wobei die Kragen entweder vor oder nach dem Verschweißen beispielsweise durch Tiefziehen oder Bördeln angeformt werden können.
Außerdem soll die Kulisse zur Vorgabe zweier sich in einem Kreuzungspunkt schneidender Kulissenbahnen ausgebildet sein, wobei die Kragen spiegelsymmetrisch zu einer Quermittelebene der Hülse verlaufen und – auf die Drehrichtung des Nockenstücks bezogen – vor dem Kreuzungspunkt einen sich verringernden Abstand und nach dem Kreuzungspunkt einen sich vergrößernden Abstand aufweisen. Wie es aus der DE 101 48 177 A1 bekannt ist, ermöglicht eine derartige Kulisse das Verschieben des Nockenstücks in beide Axialrichtungen, wobei im Falle einer Nockengruppe mit zwei Nocken lediglich ein Betätigungsstift erforderlich ist.
Weiterhin soll der Grund der Nut mit einer lokal angeformten Radialerhebung versehen sein, die als den Betätigungsstift aus der Kulisse treibende Rückführrampe dient. Wie bei derartigen Ventiltrieben in der Regel vorgesehen, ist der Betätigungsstift Teil eines Aktuators, der den Betätigungsstift bei einer vorbestimmten Winkelstellung der Nockenwelle aktiv in Eingriff mit der Kulisse bringt. Die nach dem Verschiebevorgang des Nockenstücks erforderliche Ausfahrbewegung des Betätigungsstifts aus der Kulisse erfolgt demgegenüber auf passive Weise, indem der Betätigungsstift durch die rampenförmige Radialerhebung aus der Kulisse in die außer Eingriff befindliche Ruheposition des Aktuators getrieben wird.
In einer fertigungstechnisch einfachen Ausgestaltung soll die Radialerhebung am Grundkörper zungenförmig ausgestellt sein. Die Radialerhebung kann jedoch zugunsten erhöhter Steifigkeit sowohl der Hülse als auch der Radialerhebung selbst auch als geschlossene Ausformung ähnlich einer rampenförmigen Sicke am Grundkörper ausgebildet sein.
Im Falle einer mehrventiligen Brennkraftmaschine, d. h. bei mindestens zwei Einlass- und/oder Auslassventilen pro Zylinder der Brennkraftmaschine, ist es außerdem vorgesehen, dass der Nockenträger zwei der genannten Nockengruppen und einen zwischen diesen verlaufenden zylindrischen Abschnitt zur Lagerung des Nockenstücks in einer Nockenwellenlagerstelle der Brennkraftmaschine aufweist. Dabei soll der Zapfen an einem Endabschnitt des Nockenträgers verlaufen. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, mehrere gleichartige Gaswechselventile, d. h. Einlass- oder Auslassventile des zugeordneten Zylinders mit demselben Nockenstück zu betätigen, und entspricht der bevorzugten Zylinderkopfarchitektur modernen Brennkraftmaschinen, bei denen die Nockenwelle nicht in Lagerstellen zwischen den Zylindern, sondern zwischen den Einlass- bzw. Auslassventilen eines Zylinders abgestützt ist.
Ferner soll die Hülse mittels eines Pressverbands auf dem Zapfen befestigt sein.
Schließlich sollen die vorgenannten Merkmalen und Ausgestaltungen auch beliebig miteinander kombinierbar sein, sofern dies möglich und zweckmäßig ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:
1 ein aus einem Nockenträger und einer Hülse zusammengesetztes Nockenstück in perspektivischer Ansicht;
2 die Hülse in einer ersten perspektivischen Ansicht und
3 die Hülse in einer zweiten perspektivischen Ansicht.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist ein für das Verständnis der Erfindung wesentlicher Abschnitt einer Nockenwelle 1 für einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine offenbart. Die Nockenwelle 1 umfasst eine Trägerwelle 2 mit einer Außenlängsverzahnung und je Zylinder der Brennkraftmaschine ein Nockenstück 3, das mit einer entsprechenden Innenlängsverzahnung drehfest und axial verschiebbar auf der Trägerwelle 2 angeordnet ist. Das Nockenstück 3 ist aus einem Nockenträger 4 und einer Hülse 5 zusammengesetzt, die auf einem Zapfen 6 des Nockenträgers 4 mit definierter radialer Ausrichtung aufgepresst ist. Die Hülse 5 kann zum Zwecke der präzisen Ausrichtung relativ zum Nockenträger 4 mit einer hier nicht dargestellten, stirnseitigen Markierung versehen sein.
Der Nockenträger 4 weist zwei Nockengruppen 7, 8 mit jeweils einem Paar unmittelbar benachbarter Nocken 9, 10 bzw. 11, 12 auf, die zur variablen Betätigung von nicht dargestellten Nockenfolgern und Gaswechselventilen unterschiedliche Nockenhübe bei jeweils identischem Grundkreis 13 aufweisen. Zur Lagerung des Nockenstücks 3 in einer ebenfalls nicht dargestellten Nockenwellenlagerstelle der Brennkraftmaschine dient ein zwischen den Nockengruppen 7, 8 verlaufender zylindrischer Abschnitt 14 des Nockenträgers 4.
Die in beide Verschieberichtungen des Nockenstücks 3 wirksame Hülse 5 ist lediglich an einem Endabschnitt des Nockenträgers 4 vorgesehen. Wie es aus einer Zusammenschau mit den 2 und 3 deutlich wird, in denen die Hülse 5 in verschiedenen Winkelstellungen als Einzelteil dargestellt ist, handelt es sich bei der Hülse 5 um ein einteilig aus Blechwerkstoff mittels spanloser Kaltumformung hergestelltes Bauteil. Dieses setzt sich geometrisch aus einem rohrförmigen Grundkörper 15 und daran stirnseitig angebundenen Kragen 16 zusammen, so dass eine Kulisse 17 in Form einer sich abschnittsweise über den Umfang der Hülse 5 erstreckenden Nut gebildet ist. Als Grund der Nut 17 dient der Außenmantel des Grundkörpers 15 und als Wände der Nut 17 dienen die Innenseiten der Kragen 16. Die Funktion der Nut 17 besteht in der Vorgabe einer axialen Kulissenbahn für einen radial in die Kulisse 17 einkoppelbaren Betätigungsstift 18, der das Nockenstück 3 auf der Trägerwelle 2 gemäß dem Doppelpfeil hin und her verschiebt. Der Betätigungsstift 18 ist Teil eines bekannten und hier nicht weiter dargestellten Aktuators.
Ausgangspunkt bei der Herstellung der Hülse 5 ist ein länglicher Blechstreifen, an den abschnittsweise die Kragen 16 angeformt werden und der anschließend kreisförmig umgebogen wird. Die abschnittsweise angeformten Kragen 16 erstrecken sich dementsprechend lediglich über einen Teilumfang des Grundkörpers 15, der an einem verschweißten Längsstoß 19 außerhalb dieses Teilumfangs zur Rohrform zusammengeführt ist.
In der Nähe des Längsstoßes 19 befindet sich eine lokal angeformte Radialerhebung 20, die hier zungenförmig ausgestellt ist und deren Aufgabe darin besteht, den Betätigungsstift 18 gegen Ende des Verschiebevorgangs des Nockenstücks 3 aus der Kulisse 17 in dessen eingefahrene Ruheposition zurück zu treiben. Wie es auch aus 1 deutlich wird, weist die Radialerhebung 20 die Form einer Rampe auf, die zur eingezeichneten Drehrichtung der Nockenwelle 1 korrespondierend auf der Hülse 5 orientiert ist.
Sowohl die Radialerhebung 20 als auch die Kragen 16 verlaufen spiegelsymmetrisch zu einer Quermittelebene der Hülse 5, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer so genannten X-Nut 17 versehen ist. Hierunter ist zu verstehen, dass die Kulisse 17 zur Vorgabe zweier sich in einem Kreuzungspunkt 21 schneidender Kulissenbahnen 22, 23 ausgebildet ist. Die Kulissenbahnen 22 und 23, die in 2 durch die gepunktet dargestellten Linien symbolisiert sind, beschreiben die Bewegung des in die Kulisse 17 eingekoppelten Betätigungsstifts 18 relativ zum Umfang des Grundkörpers 15 während der Verschiebung des Nockenstücks 3 auf der Trägerwelle 2. Der Verlauf dieser Bewegung entspricht im wesentlichen der Formgebung der Kragen 16, die – bezogen auf die eingezeichnete Drehrichtung des Nockenstücks 3 – vor dem Kreuzungspunkt 21 einen sich verringernden Abstand und nach dem Kreuzungspunkt 21 einen sich vergrößernden Abstand aufweisen. Da die Kragen 16 stirnseitig am Grundkörper 15 angebunden sind, ist dieser im Bereich des Kreuzungspunkts 21 entsprechend schmal ausgebildet.
Nachfolgend ist das Zusammenspiel des Betätigungsstifts 18 mit der Kulisse 17 beim Verschieben des Nockenstücks 3 während des gemeinsamen Grundkreises 13 der Nocken 9, 10 und 11, 12 erläutert. In 2 befindet sich der Betätigungsstift 18 bereits in Eingriff mit der in Pfeilrichtung drehenden Kulisse 17, um das Nockenstück 3 entsprechend der Kulissenbahn 22 von rechts vorne nach links hinten relativ zur Trägerwelle 2 zu verschieben. Das Nockenstück 3 stützt sich zunächst mit dem das Nockenstück 3 beschleunigenden Kragenabschnitt 24 und anschließend, nach Passieren des Kreuzungspunkts 21 infolge axialer Massenträgheit des Nockenstücks 3, mit dem das Nockenstück 3 verzögernden Kragenabschnitt 25 am Betätigungsstift 18 ab. Gegen Ende des Verschiebevorgangs gemäß 1 wird der Betätigungsstift 18 durch die rampenförmige Radialerhebung 20 angehoben und aus der Kulisse 17 in dessen eingriffslose Ruheposition getrieben.
Das Zurückschieben des Nockenstücks 3 – in 2 entsprechend der Kulissenbahn 23 von links hinten nach rechts vorne – erfolgt in analoger Weise durch erneutes Einkoppeln des Betätigungsstifts 18 in die Kulisse 17, wobei sich nunmehr das Nockenstück 3 mit dem das Nockenstück 3 beschleunigenden Kragenabschnitt 26 und, nach Passieren des Kreuzungspunkts 21, mit dem das Nockenstück 3 verzögernden Kragenabschnitt 27 am Betätigungsstift 18 abstützt.
Die Breite der Radialerhebung 20 ist so bemessen, dass sie in beiden Verschieberichtungen als den Betätigungsstift 18 aus der Kulisse 17 treibende Rückführrampe dient.

1: Nockenwelle
2: Trägerwelle
3: Nockenstück
4: Nockenträger
5: Hülse
6: Zapfen
7: Nockengruppe
8: Nockengruppe
9: Nocken
10: Nocken
11: Nocken
12: Nocken
13: Grundkreis
14: zylindrischer Abschnitt
15: Grundkörper
16: Kragen
17: Kulisse/Nut
18: Betätigungsstift
19: Längsstoß
20: Radialerhebung
21: Kreuzungspunkt
22: Kulissenbahn
23: Kulissenbahn
24: beschleunigender Kragenabschnitt
25: verzögernder Kragenabschnitt
26: beschleunigender Kragenabschnitt
27: verzögernder Kragenabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0798451 B1 [0002]
- DE 102004022849 A1 [0003]
- DE 102004024219 A1 [0003]
- DE 10148177 A1 [0007]

Claims

Nockenwelle (1) für einen hubvariablen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einer Trägerwelle (2) und einem darauf drehfest und axialverschiebbar angeordneten Nockenstück (3), das aus einem Nockenträger (4) und einer Hülse (5) zusammengesetzt ist, wobei der Nockenträger (4) eine Nockengruppe (7, 8) unmittelbar benachbarter Nocken (9, 10, 11, 12) mit unterschiedlichen Nockenhüben und einen Zapfen (6) aufweist, auf dem die Hülse (5) befestigt ist, und wobei die Hülse (5) eine Kulisse (17) in Form einer sich zumindest abschnittsweise über den Umfang der Hülse (5) erstreckenden Nut aufweist, die zur Vorgabe einer axialen Kulissenbahn für einen das Nockenstück (3) auf der Trägerwelle (2) verschiebenden Betätigungsstift (18) dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulisse (17) durch spanloses Umformen von Blechwerkstoff zu der Hülse (5) hergestellt ist, die einen rohrförmigen Grundkörper (15) und daran stirnseitig angebundene Kragen (16) aufweist, wobei der Außenmantel des Grundkörpers (15) als Grund der Nut (17) und die Innenseiten der Kragen (16) als Wände der Nut (17) dienen.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kragen (16) lediglich über einen Teilumfang des Grundkörpers (15) erstrecken, der an einem außerhalb dieses Teilumfangs verlaufenden Längsstoß (19) form- oder stoffschlüssig zur Rohrform zusammengeführt ist.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (15) am Längsstoß (19) verschweißt ist.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kulisse (17) zur Vorgabe zweier sich in einem Kreuzungspunkt (21) schneidender Kulissenbahnen (22, 23) ausgebildet ist, wobei die Kragen (16) spiegelsymmetrisch zu einer Quermittelebene der Hülse (5) verlaufen und, bezüglich der Drehrichtung des Nockenstücks (3), vor dem Kreuzungspunkt (21) einen sich verringernden Abstand und nach dem Kreuzungspunkt (21) einen sich vergrößernden Abstand aufweisen.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grund der Nut (17) mit einer lokal angeformten Radialerhebung (20) versehen ist, die als den Betätigungsstift (18) aus der Kulisse (17) treibende Rückführrampe dient.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialerhebung (20) am Grundkörper (15) zungenförmig ausgestellt ist.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenträger (4) zwei der genannten Nockengruppen (7, 8) und einen zwischen diesen verlaufenden zylindrischen Abschnitt (14) zur Lagerung des Nockenstücks (3) in einer Nockenwellenlagerstelle der Brennkraftmaschine aufweist, wobei der Zapfen (6) an einem Endabschnitt des Nockenträgers (4) verläuft.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (5) mittels eines Pressverbands auf dem Zapfen (6) befestigt ist.