DE102009016902A1

DE102009016902A1 - Nockenwelle zur hubvariablen Betätigung von Gaswechselventilen

Info

Publication number: DE102009016902A1
Application number: DE200910016902
Authority: DE
Inventors: Harald Elendt; Eduard Golovatai-Schmidt; Michael Haas; Andreas Nendel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2010-10-14

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Nockenwelle (1, 1') zur hubvariablen Betätigung von Gaswechselventilen eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors, mit einer Trägerwelle (2) und zumindest zwei Nockenstücken (4, 5), die drehfest und unabhängig voneinander axialverschiebbar auf der Trägerwelle (2) angeordnet sind, Nockengruppen (I-1 bis IV-2) unmittelbar benachbarter Nocken (6, 7) mit gleichen Grundskreisradien (8) und unterschiedlichen Nockenerhebungen aufweisen und mit axialen Kurvenbahnen (10, 11, 10', 11') versehen sind, in die zur axialen Verschiebung der Nockenstücke Betätigungselemente einkoppelbar sind, wobei sämtliche Nocken jedes Nockenstücks einen gemeinsamen Grundkreiswinkel (9) aufweisen. Dabei soll die Anzahl der Nockenstücke kleiner sein als die Anzahl der Motorzylinder, deren zugehörige Gaswechselventile die Nockenwelle betätigt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle zur hubvariablen Betätigung von Gaswechselventilen eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors. Die Nockenwelle umfasst eine Trägerwelle und zumindest zwei Nockenstücke, die drehfest und unabhängig voneinander axialverschiebbar auf der Trägerwelle angeordnet sind, Nockengruppen unmittelbar benachbarter Nocken mit gleichen Grundkreisradien und unterschiedlichen Nockenerhebungen aufweisen und mit axialen Kurvenbahnen versehen sind, in die zur axialen Verschiebung der Nockenstücke Betätigungselemente einkoppelbar sind. Dabei weisen sämtliche Nocken jedes Nockenstücks einen gemeinsamen Grundkreiswinkel auf.
Hintergrund der Erfindung
Die mit einer derartigen Nockenwelle erzeugbare Hubvariabilität an den Gaswechselventilen ist unter anderem aus der DE 196 11 641 C1 bekannt und basiert auf dem mechanischen Grundprinzip, dass die Nocken einer Nockengruppe durch axiales Verschieben des Nockenstücks wechselweise aktiviert und deren unterschiedliche Nockenerhebungen mittels eines konventionell starr ausgebildeten Nockenfolgers (beispielsweise ein Schlepphebel) selektiv auf das Gaswechselventil übertragen werden. Hierzu ist das Nockenstück drehfest, jedoch längsverschieblich auf der Trägerwelle angeordnet, wobei zur betriebspunktabhängigen Verschiebung des Nockenstücks üblicherweise axial gegensinnig verlaufende Kurvenbahnen am Umfang des Nockenstücks vorgesehen sind, in welche Aktuatorstifte ortsfest im Verbrennungsmotor angeordneter Betätigungselemente wechselweise eingekoppelt werden.
Unter Berücksichtigung der Zündfolge des Verbrennungsmotors und der entsprechenden Winkelausrichtung der einzelnen Nockengruppen gegenüber der Trägerwelle sowie in Anbetracht dessen, dass das Verschieben eines Nockenstücks nur während des gemeinsamen Grundkreiswinkels aller Nocken des Nockenstücks technisch sinnvoll ist, umfasst eine solche Nockenwelle üblicherweise so viele Nockenstücke wie Motorzylinder, für deren Gaswechsel die Nockenwelle zuständig ist. So auch im Falle des in der DE 10 2004 011 586 A1 offenbarten Vierzylinder-Reihenmotors mit vier Nockenstücken je Nockenwelle.
Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist der mithin beträchtliche Herstell- und Montageaufwand, der nicht nur die komplex aufgebaute Nockenwelle selbst einschließlich der Arretierungen zur Fixierung der Nockenstücke in ihren Axialpositionen, sondern auch die Anzahl der erforderlichen Kurvenbahnen und Betätigungselemente zuzüglich deren Ansteuerung zur Verschiebung der Nockenstücke betrifft. Ein für die vorliegende Anwendung typisches Betätigungselement geht beispielsweise aus der EP 1 421 591 B1 hervor.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Nockenwelle der eingangs genannten Art unter Beibehaltung ihres Funktionsprinzips konstruktiv so zu gestalten, dass nicht nur die Komplexität der Nockenwelle, sondern auch die Anzahl der erforderlichen. Kurvenbahnen und Betätigungselemente zur Verschiebung der Nockenstücke verringert werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Anzahl der Nockenstücke kleiner ist als die Anzahl der Motorzylinder, deren zugehörige Gaswechselventile die Nockenwelle betätigt.
Mit anderen Worten wird die Komplexität der Nockenwelle dadurch verringert, dass die Nockengruppen benachbarter Motorzylinder nunmehr auf einem einzigen Nockenstück angeordnet sind. Die größtmögliche Anzahl der Motorzylinder, deren zugehörige Gaswechselventile von diesem Nockenstück betätigt werden, richtet sich danach, dass sämtliche Nocken dieses Nockenstücks einen gemeinsamen und für den Verschiebevorgang ausreichend großen Grundkreiswinkel aufweisen. Wesentliche Parameter hierfür sind die Bauweise (z. B. Reihen- oder V-Motor), Zylinderzahl und Zündfolge des Verbrennungsmotors sowie die Anzahl der Nockenwellen pro Zylinderbank.
In Weiterbildung der Erfindung soll die Anzahl der Nockenstücke halb so groß sein wie die Anzahl der Motorzylinder, deren zugehörige Gaswechselventile die Nockenwelle betätigt. Eine bevorzugte Anwendung hierfür betrifft das weltweit volumenstarke Segment der Vierzylindermotoren in Reihenbauweise und DOHC-Anordnung, d. h. mit separaten Nockenwellen für die Einlass- und Auslassventile.
Außerdem ist es vorgesehen, dass die axialen Kurvenbahnen auf axialen Endabschnitten der Nockenstücke verlaufen. Dies erleichtert die Montage eines aus Einzelteilen gebauten Nockenstücks, dessen axiale Kurvenbahnen auf einem oder mehreren separat hergestellten und mit dem Nockenstück gefügten Bauteilen ausgebildet sind.
Gemäß der in der DE 10 2004 011 586 A1 offenbarten Nockenwelle kann dabei an beiden axialen Endabschnitten jedes Nockenstücks jeweils eine axiale Kurvenbahn in Form einer unidirektionalen Spiralnut verlaufen. Anders gesagt: die beiden für das Hin- und Herschieben des Nockenstücks erforderlichen Spiralnuten sind räumlich vollständig voneinander getrennt angeordnet und wirken jeweils mit einem Betätigungselement in Form eines in die Nut eingreifenden Aktuatorstifts zusammen.
Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, dass an lediglich einem axialen Endabschnitt jedes Nockenstücks eine axiale Kurvenbahn in Form einer bidirektionalen Spiralnut verläuft. Eine derartige Spiralnut ist beispielsweise in der DE 101 48 177 A1 offenbart und weist einen sich kreuzenden Bahnverlauf für beide Verschieberichtungen auf. In diesem Fall und bei einer 2-stufigen Hubvariabilität ist bereits ein einziger in die Spiralnut eingreifender Aktuatorstift als Betätigungselement für beide Verschieberichtungen ausreichend.
Alternativ zu beiden vorgenannten Anordnungen können die axialen Kurvenbahnen aber auch auf einem Mittelabschnitt der Nockenstücke verlaufen, wie es grundsätzlich ebenfalls der DE 101 48 177 A1 zu entnehmen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Figuren, in denen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Nockenwellen für einen Vierzylindermotor in Reihenbauweise dargestellt sind. Sofern nicht anders angegeben, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Bauteile oder Merkmale mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 eine erste Nockenwelle mit unidirektionalen Spiralnuten in perspektivischer Gesamtdarstellung;
2 eine zweite Nockenwelle mit bidirektionalen Spiralnuten in perspektivischer Gesamtdarstellung und
3 ein Steuerzeitendiagramm der Nockenwellen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 offenbart eine Nockenwelle 1 für einen Vierzylinder-Vierventilmotor in Reihenbauweise mit hubvariabler Betätigung der Gaswechselventile, wobei die Nockenwelle 1 vorliegend die beiden Einlassventile je Motorzylinder betätigt. Die Nockenwelle 1 umfasst eine Trägerwelle 2 mit einem Antriebsrad 3 und zwei drehfest und unabhängig voneinander axialverschiebbar auf der Trägerwelle angeordnete Nockenstücke 4 und 5. Zwecks Verschiebbarkeit ist die Trägerwelle 2 im Bereich der hohlen Nockenstücke 4, 5 mit einer Außenlängsverzahnung versehen, die in eine dazu komplementäre Innenlängsverzahnung der Nockenstücke 4, 5 eingreift, wie es an sich beispielsweise der eingangs zitierten DE 101 48 177 A1 entnehmbar und hier nicht näher dargestellt ist. Zur axialen Fixierung der Nockenstücke 4, 5 in deren beiden Axialpositionen dienen Kugelarretierungen, die in Querbohrungen der Trägerwelle 2 angeordnet sind und in Ringnuten am Innenumfang der Nockenstücke 4, 5 einrasten. Derartige Arretierungen sind ebenfalls beispielsweise aus der eingangs zitierten DE 10 2004 011 586 A1 bekannt.
Die Nockenstücke 4, 5 weisen jeweils zwei Paar Nockengruppen I-1 bis II-2 bzw. III-1 bis IV-2 mit jeweils zwei unmittelbar benachbarten Nocken 6 und 7 auf, die bei zueinander identischen und sich bezüglich der Winkellage weitgehend überdeckenden Grundkreisradien 8 unterschiedliche Nockenerhebungen aufweisen, um den Ladungswechsel des Verbrennungsmotors möglichst betriebspunktoptimal einstellen zu können. Die Gleitlagerung der Nockenwelle 1 erfolgt auf an sich bekannte Weise jeweils zwischen den Nockengruppen I-1 und I-2, II-1 und II-2, III-1 und III-2 sowie IV-1 und IV-2.
Erfindungsgemäß dient das erste Nockenstück 4 zur Betätigung der Einlassventile, die sowohl den Ladungswechsel des Motorzylinders I als auch des Motorzylinders II steuern, während das zweite Nockenstück 5 zur Betätigung der Einlassventile dient, die sowohl den Ladungswechsel des Motorzylinders III als auch des Motorzylinders IV steuern. Die Grundlage für diese Idee sei an dem in 3 dargestellten Steuerzeitendiagramm erläutert, das der bei vierzylindrigen Reihenmotoren üblichen Zündfolge 1-3-4-2 entspricht und in dem über dem Nockenwellenwinkel die um 90° zueinander versetzten Nockenerhebungen für die Motorzylinder I bis IV aufgetragen sind. Wie es in entsprechender Weise für das den Motorzylindern III und IV zugeordnete zweite Nockenstück 5 gilt, weisen sämtliche Nocken 6, 7 des ersten Nockenstücks 4 einen mit 9 bemaßten, gemeinsamen Grundkreiswinkel auf, der mit dem Schließzeitpunkt des Nockens 6 für Motorzylinder I beginnt und mit dem Öffnungszeitpunkt des Nockens 6 für Motorzylinder II endet und vorliegend etwa 135° beträgt. Dies ist das Intervall, in dem die Verschiebung der Nockenstücke 4, 5 zwischen deren axialen Endpositionen und mithin die Umschaltung zwischen den Nocken 6 und 7 stattfindet.
Die gegenüber bisher bekannten Ausführungen derartiger Nockenwellen vorgeschlagene Halbierung der Anzahl unabhängig voneinander verschiebbarer Nockenstücke geht mit einer Halbierung der für die Verschiebung der Nockenstücke 4, 5 erforderlichen Anzahl der axialen Kurvenbahnen sowie der darin einkoppelbaren Betätigungselemente (siehe EP 1 421 591 B1 ) einher. Bei der in 1 dargestellten Nockenwelle 1 sind die Kurvenbahnen als an sich bekannte (siehe DE 10 2004 011 586 A1 ), unidirektionale Spiralnuten 10 und 11 ausgebildet, die an beiden Endabschnitten der Nockenstücke 4, 5 angeordnet sind und axial gegensinnig zueinander verlaufen.
Im Falle der Nockenwelle 1' gemäß 2, die ansonsten denselben Aufbau wie die Nockenwelle 1 aufweist, sind die Kurvenbahnen als ebenfalls an sich bekannte (siehe DE 101 48 177 A1 ), bidirektionale Spiralnuten 10' und 11' mit sich kreuzendem Bahnverlauf ausgebildet, die jeweils an lediglich einem Endabschnitt des Nockenstücks 4, 5 angeordnet sind. In beiden Fällen sind die Spiralnuten auf separat hergestellten und mit den Endabschnitten der Nockenstücke 4, 5 gefügten Hülsen 12 und 13 bzw. 14 angeformt.
Die in den 1 und 2 sichtbaren Einformungen 15 in der Trägerwelle 2 dienen als Freigang für Zylinderkopfschrauben, die bei bereits in den Zylinderkopf eingesetzten Ein- und Auslassnockenwellen in den Zylinderkopf eingeführt und angezogen werden. Der bei diesem Montagekonzept auch für die Zylinderkopfschrauben zwischen den Motorzylindern I und II sowie III und IV erforderliche Freigang ist zwar nicht dargestellt, kann jedoch dadurch erzeugt werden, dass sowohl die Trägerwelle 2 als auch die zwischen den Nockengruppen I-2 und II-1 sowie III-2 und IV-1 verlaufenden zylindrischen Abschnitte der Nockenstücke 4 bzw. 5 mit Freinehmungen versehen sind.

1: Nockenwelle
2: Trägerwelle
3: Antriebsrad
4: Nockenstück
5: Nockenstück
6: Nocken
7: Nocken
8: Grundkreisradius
9: gemeinsamer Grundkreiswinkel der Nocken eines Nockenstücks
10: Spiralnut
11: Spiralnut
12: Hülse mit unidirektionaler Spiralnut
13: Hülse mit unidirektionaler Spiralnut
14: Hülse mit bidirektionaler Spiralnut
15: Einformung für Zylinderkopfschraube
I bis IV: Nummer des Motorzylinders
I-1,2 bis IV-1,2: Nockengruppe (bezogen auf Motorzylinder und Gaswechselventil)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19611641 C1 [0002]
- DE 102004011586 A1 [0003, 0010, 0017, 0020]
- EP 1421591 B1 [0004, 0020]
- DE 10148177 A1 [0011, 0012, 0017, 0021]

Claims

Nockenwelle (1, 1') zur hubvariablen Betätigung von Gaswechselventilen eines mehrzylindrigen Verbrennungsmotors, mit einer Trägerwelle (2) und zumindest zwei Nockenstücken (4, 5), die drehfest und unabhängig voneinander axialverschiebbar auf der Trägerwelle (2) angeordnet sind, Nockengruppen (I-1 bis IV-2) unmittelbar benachbarter Nocken (6, 7) mit gleichen Grundkreisradien (8) und unterschiedlichen Nockenerhebungen aufweisen und mit axialen Kurvenbahnen (10, 11, 10', 11') versehen sind, in die zur axialen Verschiebung der Nockenstücke (4, 5) Betätigungselemente einkoppelbar sind, wobei sämtliche Nocken (6, 7) jedes Nockenstücks (4, 5) einen gemeinsamen Grundkreiswinkel (9) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Nockenstücke (4, 5) kleiner ist als die Anzahl der Motorzylinder, deren zugehörige Gaswechselventile die Nockenwelle (1, 1') betätigt.
Nockenwelle (1, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Nockenstücke (4, 5) halb so groß ist wie die Anzahl der Motorzylinder, deren zugehörige Gaswechselventile die Nockenwelle (1, 1') betätigt.
Nockenwelle (1, 1') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (1, 1') für einen Vierzylindermotor in Reihenbauweise ausgebildet ist, wobei die Nockengruppen (I-1 bis IV-2) lediglich zur Betätigung von Einlassventilen oder lediglich zur Betätigung von Auslassventilen dienen.
Nockenwelle (1, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Kurvenbahnen (10, 11, 10', 11') auf axialen Endabschnitten der Nockenstücke (4, 5) verlaufen.
Nockenwelle (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden axialen Endabschnitten jedes Nockenstücks (4, 5) jeweils eine axiale Kurvenbahn in Form einer unidirektionalen Spiralnut (10, 11) verläuft.
Nockenwelle (1') nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an lediglich einem axialen Endabschnitt jedes Nockenstücks (4, 5) eine axiale Kurvenbahn in Form einer bidirektionalen Spiralnut (10', 11') verläuft.