DE102009022657A1

DE102009022657A1 - Nockenwelle sowie Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102009022657A1
Application number: DE102009022657A
Authority: DE
Inventors: Alexander Beck
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2011-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine, mit einer Grundwelle (2), die mindestens eine Außenverzahnung (3) aufweist, und mit mindestens einem wenigstens eine mit der Außenverzahnung (3) zusammenwirkende Innenverzahnung (6) aufweisenden, axial auf der Grundwelle (2) verschieblich gelagerten Nockenträger (5). Hierbei ist vorgesehen, dass die Außenverzahnung (3) und/oder die Innenverzahnung (6) aus Kunststoff gefertigt sind. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für Brennkraftmaschinen, insbesondere für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einer Grundwelle, die mindestens eine Außenverzahnung aufweist, und mit mindestens einem wenigstens eine mit der Außenverzahnung zusammenwirkende Innenverzahnung aufweisenden, axial auf der Grundwelle verschieblich gelagerten Nockenträger.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, insbesondere wie sie oben beschrieben wurde, mit einer Grundwelle, die mindestens eine Außenverzahnung aufweist, und mit mindestens einem wenigstens eine mit der Außenverzahnung zusammenwirkende Innenverzahnung aufweisenden, axial auf der Grundwelle verschieblich gelagerten Nockenträger.
Nockenwellen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer Grundwelle, auf welcher ein Nockenträger, der wie der Name bereits sagt, einen oder mehrere Nockenelemente trägt, axial verschieblich gelagert ist. Wobei die Grundwelle mindestens eine Außenverzahnung aufweist, die mit wenigstens einer Innenverzahnung des Nockenträgers zusammenwirkt, sodass die Drehbewegung der Grundwelle formschlüssig auf den Nockenträger übertragen wird. Üblicherweise sind die Außenverzahnung und die Innenverzahnung einstückig mit der Grundwelle beziehungsweise mit dem Nockenträger ausgebildet, die wiederum metallisch sind, und bei der Herstellung durch aufwendigen Dreh- und/oder Fräsprozessen (heraus-)geformt. Insbesondere das Erstellen der Innenverzahnung ist ein aufwendiger Prozess.
Die EP 1 608 849 B1 offenbart eine derartige Nockenwelle eines Ventiltriebs, bei dem ein Nockenträger axial auf einer Grundwelle verschiebbar gelagert ist.
Die erfindungsgemäße Nockenwelle zeichnet sich dadurch aus, dass die Außenverzahnung und/oder die Innenverzahnung aus Kunststoff gefertigt sind. Kunststoff lässt sich im Allgemeinen sehr, viel einfacher bearbeiten als Metall und lässt sich darüber hinaus bereits in der gewünschten Endform auf einfache Art und Weise herstellen beziehungsweise ur-formen. So können die Außenverzahnung und die Innenverzahnung beispielsweise vorab hergestellt und anschließend in der gewünschten Position an dem entsprechenden Bauteil befestigt werden. Hierzu können entsprechende Aufnahmenuten oder Ähnliches dienen. Ein weiterer Vorteil der aus Kunststoff gebildeten Außenverzahnung und/oder Innenverzahnung liegt darin, dass die Geräuschentwicklung des Ventiltriebs beziehungsweise der Brennkraftmaschine mit einer derartigen Nockenwelle verringert wird, da sich der Kunststoff als Dämpfungsmaterial eignet und entsprechend als Eigendämpfung der Nockenwelle fungiert.
Vorteilhafterweise ist der Nockenträger ebenfalls aus Kunststoff gefertigt. Dadurch wird zum Einen das Gewicht des Nockenträgers insgesamt verringert und zum Anderen kann der Nockenträger als solcher leichter und kostengünstiger hergestellt werden. Der verschiebbare Nockenträger weist zweckmäßigerweise in seiner Mantelfläche mindestens eine schräg verlaufende Nut auf, in welche ein ortsfester Steuerbolzen eines Ventiltriebs eingreifen kann. Liegt der Steuerbolzen in der Nut ein, beziehungsweise wird er im Betrieb in die Nut eingebracht, so bewirkt dies eine axiale Verlagerung des Nockenträgers auf der Grundwelle, wenn diese gedreht wird. Dadurch kann im Betrieb die ein Ventil betätigende Nockenkontur durch axiales Verschieben des Nockenträgers auf einfache Art und Weise gewechselt werden, wodurch die sogenannte Ventilhubkurve verändert wird. Diese für das axiale Verschieben notwendige Nut lässt sich sehr viel einfacher bei der Herstellung des Nockenträgers aus Kunststoff realisieren. Insbesondere kann die Nut bereits beim Ur-Formen und nicht wie sonst, erst beim Nachbearbeiten des Nockenträgers hergestellt werden. Hierdurch ist es möglich, auch hochkomplexe Formen des Nockenträgers auf einfache Art und Weise zu realisieren.
Besonders bevorzugt ist die Innenverzahnung einstückig mit dem Nockenträger ausgebildet. Somit wird die Innenverzahnung gleichzeitig mit dem Nockenträger hergestellt und muss nicht wie oben beschrieben im Nachhinein daran befestigt werden. Dadurch wird die Stabilität des Nockenträgers erhöht sowie eine hohe Lebensdauer gewährleistet. Außerdem wird dadurch die Geräuschentwicklung weiter verringert.
Vorteilhafterweise sind die Außenverzahnung, die Innenverzahnung und/oder der Nockenträger aus Kunststoff gespritzt. Mit entsprechenden Formen lässt sich dadurch auf einfache Art und Weise das entsprechende Bauteil (Außenverzahnung, Innenverzahnung und/oder Nockenträger) fertigen.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Grundwelle mehrere Außenverzahnungen auf, wie sie oben beschrieben wurden, denen jeweils ein Nockenträger zugeordnet ist. Letztendlich kann eine beliebige Anzahl von Nockenträgern und/oder Außenverzahnungen an der Grundwelle vorgesehen sein. Natürlich ist es auch denkbar, dass die Grundwelle eine einzige, sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Grundwelle erstreckende Außenverzahnung aufweist, auf welcher mehrere Nockenträger mit ihrer Innenverzahnung axial verschiebbar sind.
Vorteilhafterweise sind auf dem beziehungsweise jedem Nockenträger wenigstens zwei Nockenelemente drehfest angeordnet, wobei die Nockenelemente unterschiedliche Ventilhubkurven bilden.
Bevorzugt ist der Nockenträger aus Kunststoff dabei jeweils um die Nockenelemente gespritzt. Im einfachsten Fall können zwar die Nockenelemente auf den Nockenträger aufgeschoben werden, bevorzugt jedoch ist die entgegengesetzte Vorgehensweise vorgesehen. Dadurch ist es möglich, auch Nockenträgerformen zu schaffen, auf die normalerweise kein einstückig ausgebildetes Nockenelement aufgeschoben werden könnte. Beispielsweise kann der Nockenträger somit an seinen Stirnenden jeweils einen Axialanschlag für einen oder mehrere Nockenelemente aufweisen. Zweckmäßigerweise sind die Nockenelemente und/oder die Grundwelle aus Metall gefertigt.
Vorteilhafterweise ist der Kunststoff glas- und/oder kohlenstofffaserverstärkt ausgebildet. Bei hohen Drehzahlen und/oder hohen Beanspruchungen durch die zu betätigenden Ventile gewährleistet der Kunststoff eine ausreichende Stabilität der Nockenwelle. Alternativ oder zusätzlich ist der Kunststoff mit verschleißmindernden Zusätzen und/oder Gleit-/Schmiermittelzusätzen versehen, die die Reibkräfte verringern.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Außenverzahnung und der Nockenträger, insbesondere die Innenverzahnung des Nockenträgers, eine Presspassung bilden. Dadurch ist eine besonders direkte Kraftübertragung gewährleistet, und Vibrationen, die insbesondere zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führen könnten, werden verhindert beziehungsweise minimiert.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zahnzwischenräume der Außenverzahnung und/oder der Innenverzahnung über ihre Längserstreckung hinweg unterschiedlich breit ausgebildet sind. Dadurch ist es insbesondere möglich, auch die Presspassung zwischen der Innenverzahnung und der Außenverzahnung zu beeinflussen, sodass in Bereichen, in denen die Zahnzwischenräume weiter auseinander sind, geringere Reibkräfte auftreten, als in Bereichen, in denen die Zahnzwischenräume kleiner ausgebildet sind.
Bevorzugt sind die Zahnzwischenräume in Bewegungsbereichen breiter ausgebildet als in Feststellbereichen. Unter dem Bewegungsbereich ist hierbei der Bereich zu verstehen, über welchen der jeweilige Nockenträger axial auf der Grundwelle verschoben wird, um in seine nächste Endlage zu gelangen, in welcher sich eines der Nockenelemente in einer Ventilbetätigungsposition befindet und (axial) möglichst fest sitzen soll. In diesem sogenannten Feststellbereich, sind die Zahnzwischenräume zweckmäßiger schmaler ausgebildet, um höherer Reibkräfte zu bewirken, die einen sicheren Sitz des Nockenträgers auf der Grundwelle gewährleisten. Dadurch ist der Nockenträger zum Einen an den gewünschten Positionen festsitzend auf der Grundwelle angeordnet, und kann zwischen zwei Feststellbereichen leicht und mit wenig Kraftaufwand über den Bewegungsbereich hinweg verschoben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Nockenwelle sieht vor, dass die Außenverzahnung und/oder die Innenverzahnung aus Kunststoff, insbesondere durch Umspritzen gefertigt werden.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Nockenwelle,
2 einen Grundkörper der Nockenwelle in einer perspektivischen Darstellung,
3 Nockenelemente der Nockenwelle und
4 einen Nockenträger mit Nockenelementen in einer perspektivischen Darstellung.
Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Abschnitt einer vorteilhaften Nockenwelle 1 eines Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine. Die Nockenwelle 1 weist eine Grundwelle 2 auf, die mit einer Außenverzahnung 3 versehen ist. Die Außenverzahnung 3 erstreckt sich dabei bereichsweise über die Grundwelle 2 und ist als Stirnverzahnung, also mit parallel zur Drehachse 4 der Grundwelle 2 verlaufenden Zahnspitzen beziehungsweise Kanten ausgebildet. Unter der Innenverzahnung 6 und der Außenverzahnung 3 sind hierbei ebenfalls Polygonprofile zu verstehen. So ist es beispielsweise denkbar, die Außenverzahnung 3 als ein Dreieck-Polygon zu formen, und die Innenverzahnung 6 des Nockenträgers 5 entsprechend. Im Bereich der Außenverzahnung 3 ist ein Nockenträger 5 auf der Grundwelle 2 angeordnet, der eine Innenverzahnung 6 aufweist, die mit der Außenverzahnung 3 zusammenwirkt, also mit dieser in Eingriff steht. An seinen Stirnseiten weist der Nockenträger 5 Axialanschläge 7, 8 auf. Diese werden durch sich über den gesamten Umfang des Nockenträgers 5 erstreckende Radialvorsprünge gebildet, sodass der Nockenträger 5 im Längsschnitt gesehen H-förmig ausgebildet ist. Zwischen den Axialschlägen 7 und 8 sind auf dem ansonsten im Wesentlichen kreiszylinderförmig ausgebildeten Nockenträger 5 vier Nockenelemente 9, 10, 11 und 12 angeordnet, wobei die Nockenelemente 9 und 11 einander entsprechen und die Nockenelemente 10 und 12 ebenfalls einander entsprechen. Die Nockenelemente 10 und 11 sind dabei axial beabstandet zueinander angeordnet und liegen jeweils an dem Nockenelement 9 beziehungsweise 12 an, welches wiederum axial an dem entsprechenden Axialanschlag 7 beziehungsweise 8 anliegt. Die Nockenelemente 9 und 11 bewirken durch ihre Nockenkontur vorliegend einen kleineren Ventilhub und andere Ventil-Öffnungszeiten als die Nockenelemente 10 und 12.
Die Außenverzahnung 3 der Grundwelle 2 ist aus Kunststoff gefertigt und wurde durch Umspritzen auf die Grundwelle 2 aufgebracht. Die 2 zeigt dazu die Grundwelle 2 in einer perspektivischen Darstellung. Über ihre Längserstreckung hinweg sind mehrere Außenverzahnungen 3 vorgesehen, die wie oben beschrieben ausgebildet beziehungsweise gefertigt sind. Vorteilhafterweise ist jeder der Außenverzahnungen 3 ein Nockenträger 5 wie oben beschrieben zugeordnet. Durch die Außenverzahnung 3 und die Innenverzahnung 6 ist der Nockenträger 5 axial auf der Grundwelle 2 verschieblich gelagert, wie durch einen Pfeil 13 angedeutet. Durch das Verschieben des Nockenträgers 5 ist es möglich im Betrieb zwischen den Nockenelementen 9 und 10 beziehungsweise 11 und 12 zu wechseln, sodass ein durch die Nockenelemente 9, 10 beziehungsweise 11, 12 betätigtes Ventil des Ventiltriebs je nach axialer Stellung des Nockenträgers 5 auf der Grundwelle 2 mit einem anderen Nockenelement und damit mit einer anderen Ventilhubkurve betätigt wird.
Die 3 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel des Nockenträgers 5 in einer perspektivischen Darstellung. Aus der 1 bekannte Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Der Nockenträger 5 ist vorteilhafterweise ebenfalls aus Kunststoff gefertigt. Im Unterschied zu der schematischen Darstellung der 1 weist der Nockenträger 5 gemäß der 3 in seinen Axialanschlägen 7 und 8 sich über den gesamten Umfang erstreckende, randoffene Nuten 14, 15 auf. Die Nuten 14 und 15 verlaufen dabei schräg beziehungsweise in einer Kurvenbahn über den Umfang der Axialanschläge 7 beziehungsweise 8. In die Nuten kann ein Stift einer Nockenträgerverschiebeeinrichtung eingreifen. Ist dieser ortsfest, so bewirkt das Eingreifen, dass bei einer Umdrehung der Grundwelle 2 beziehungsweise des Nockenträgers 5 letzterer auf der Grundwelle 2 beziehungsweise auf der Außenverzahnung 3 axial verschoben wird.
Wie aus den 1 und 3 ersichtlich, ist es nicht möglich, die Nockenelemente 9 bis 12 von dem Nockenträger 5 abzuziehen, ohne diesen dabei zu zerstören. Ebenso wenig können die Nockenelemente 9 bis 12 auf den Nockenträger 5 nach seiner Fertigung aufgeschoben werden. Vielmehr wird bei der Herstellung des Nockenträgers, dieser vorteilhafterweise um die Nockenelemente 9 bis 12 gespritzt.
Dazu werden die Nockenelemente 9 bis 12, wie sie in der 4 exemplarisch dargestellt sind, vorteilhafterweise zunächst in einer entsprechenden Spritzform arretiert, und anschließen der den Nockenträger 5 bildende Kunststoff in die Spritzform eingespritzt beziehungsweise um die Nockenelemente 9 bis 12 herumgespritzt. Besonders bevorzugt wird dabei gleichzeitig die Innenverzahnung 6 durch einen entsprechenden Kern bei der Formung des Nockenträgers 5 mitgeformt. Alternativ wäre es auch denkbar, die Innenverzahnung 6 separat herzustellen und anschließend in eine durchgehende Öffnung des Nockenträgers 5 einzuführen und dort mit geeigneten Mitteln zu arretieren.
Durch die Herstellung der Außenverzahnung 3 sowie des Nockenträgers 5 beziehungsweise der Innenverzahnung 6 aus Kunststoff ist es möglich, die Nockenwelle 1 auf einfache Art und Weise kostengünstig herzustellen. Ein aufwendiges Drehen und/oder Fräsen entfällt. Durch entsprechende Zusätze, wie beispielsweise Glas- und/oder Kohlenstofffasern kann die Festigkeit beziehungsweise Belastbarkeit der aus Kunststoff gefertigten Elemente der Nockenwelle 1 erhöht werden. Durch weitere Schmiermittelzusätze können darüber hinaus Reibkräfte minimiert werden. Die Nockenwelle 1 weist durch Verwendung von Kunststoff ein geringes Gewicht auf und führt zu einer vergleichsweise geringen Geräuschentwicklung, da der Kunststoff als Eigendämpfung wirkt. Durch die vorteilhafte Fertigung des Nockenträgers 5 können die Nockenkonturen beziehungsweise die Nockenelemente 9 bis 12 beliebig auf dem Nockenträger 5 ausgerichtet und/oder angeordnet werden, wodurch eine Vielfalt von Gestaltungsmöglichkeiten auf einfache Art und Weise geboten wird. Die Verschiebekonturen beziehungsweise die Nuten 14 und 15 können ebenfalls wie oben beschrieben durch Umspritzen gefertigt werden, ohne dass sie aufwendig in die Axialanschläge 7, 8 eingefräst werden müssen. Natürlich ist es auch denkbar, einen mittigen Axialanschlag vorzusehen, und die Nockenelemente 9 bis 12links und rechts davon anzuordnen. Die Einzelteile der Nockenwelle 1 können kostengünstig und in großen Mengen einfach hergestellt werden. Als geeignete Werkstoffe bieten sich Thermoplaste, wie zum Beispiel POM, PEEK und/oder PA6/6.6 an. Werden Außenverzahnung 3 und Innenverzahnung 6 mit einer leichten Überdeckung, die zu einer Presspassung führt, ausgebildet, wird die Festigkeit und Belastbarkeit der Nockenwelle 1 insgesamt weiter erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwelle
2: Grundwelle
3: Außenverzahnung
4: Drehachse
5: Nockenträger
6: Innenverzahnung
7: Axialanschlag
8: Axialanschlag
9: Nockenelement
10: Nockenelement
11: Nockenelement
12: Nockenelement
13: Doppelpfeil
14: Nut
15: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1608849 [0004]

Claims

Nockenwelle für eine Brennkraftmaschine, mit einer Grundwelle (2), die mindestens eine Außenverzahnung (3) aufweist, und mit mindestens einem wenigstens eine mit der Außenverzahnung (3) zusammenwirkende Innenverzahnung (6) aufweisenden, axial auf der Grundwelle (2) verschieblich gelagerten Nockenträger (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Außenverzahnung (3) und/oder die Innenverzahnung (6) aus Kunststoff gefertigt sind.
Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenträger (5) aus Kunststoff gefertigt ist.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenverzahnung (6) einstückig mit dem Nockenträger (5) ausgebildet ist.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle (2) mehrere Außenverzahnungen (3) aufweist, denen jeweils ein Nockenträger (5) zugeordnet ist.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle (2) eine sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Grundwelle (2) erstreckende Außenverzahnung (3) aufweist, der mehrere Nockenträger (5) zugeordnet sind.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Nockenträger (5) wenigstens zwei Nockenelemente (9, 10, 11, 12) angeordnet sind.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenträger (5) aus Kunststoff um die Nockenelemente (9, 10, 11, 12) gespritzt ist.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff glas- und/oder kohlenstofffaserverstärkt ist.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenverzahnung (3) und der Nockenträger (5), insbesondere die Innenverzahnung (6) des Nockenträgers (5), eine Presspassung bilden.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnzwischenräume der Außenverzahnung (3) und/oder der Innenverzahnung (6) über ihre Längserstreckung hinweg unterschiedlich breit ausgebildet sind.
Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnzwischenräume in Bewegungsbereichen breiter als in Feststellbereichen ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Grundwelle, die mindestens eine Außenverzahnung aufweist, und mit mindestens einem wenigstens eine mit der Außenverzahnung zusammenwirkende Innenverzahnung aufweisenden, axial auf der Grundwelle verschieblich gelagerten Nockenträger, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle und/oder die Innenverzahnung aus Kunststoff, insbesondere durch Umspritzen gefertigt werden.