DE102010019130A1

DE102010019130A1 - Zylinderkopf

Info

Publication number: DE102010019130A1
Application number: DE102010019130A
Authority: DE
Inventors: Thomas Flender; Michael Kreisig; Falk Schneider; Stefan Steichele
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-11-03
Anticipated expiration: 2030-05-01
Also published as: US8936002B2; US20110265756A1; DE102010019130B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine mit einer darin gelagerten Nockenwelle (2). Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Nockenwelle (2) über zumindest ein Wälzlager (6,6') in Axialrichtung (7) gelagert ist, wobei das zumindest eine Wälzlager (6,6') derart ausgebildet ist, dass über dieses sämtliche auftretende Axialkräfte aufnehmbar sind. Hierdurch kann eine besonders leicht gängige Lagerung erreicht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zylinderkopf mit einer darin gelagerten Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Nockenwellen in Brennkraftmaschinen dienen zur Steuerung der Ein- und Auslassventile und werden von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Da die Nockenwelle eine hohe Umdrehungsgeschwindigkeit aufweist, ist es für eine zuverlässige Funktionsweise der Nockenwelle unerlässlich, diese sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung einwandfrei zu lagern.
Aus der EP 1 995 417 B1 ist ein Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle bekannt, die über zumindest ein Rollenlager an einem Zylinderkopfgehäuse gelagert ist. Hierbei ist zumindest ein Axiallager vorgesehen, welches die Nockenwelle in Axialrichtung lagert und welches zugleich als Kugel- oder ebenfalls als Rollenlager ausgebildet ist. Die bekannten Axiallager lagern die Nockenwelle jedoch hauptsächlich in Radialrichtung und nur zu einem gewissen Anteil in Axialrichtung, da die aus der EP 1 995 417 B1 bekannten Axiallager lediglich eine begrenzte Aufnahme von Axialkräften erlauben. Die bekannten Axiallager sind daher genauer gesagt eher Axial/Radiallager und nehmen neben Radialkräften auch einen geringen Anteil an Axialkräften auf. Durch die bekannten Ausführungsformen der Axiallager sind deren axiale Lagerkräfte jedoch beschränkt. Die axialen Lagerkräfte für Nockenwellen werden üblicherweise über sog. Anlaufscheiben, welche auch als „thrust-plate” bezeichnet werden, aufgenommen, wobei derartige Anlaufscheiben jedoch im Vergleich zu anderen Lagereinrichtungen eine deutlich kürzere Lebenserwartung aufweisen, sodass diese üblicherweise turnusmäßig ausgetauscht werden müssen und zugleich lediglich Gleitlager darstellen, die sowohl eine zusätzliche Schmierung erfordern als auch beim Stillstand der Brennkraftmaschine anhaften können und dann gewisse Losreißkräfte erfordern. Diese ganzen vergleichsweise negativen Lagereigenschaften bedingen einen nicht zu unterschätzenden höheren Verbrauch an Kraftstoff.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Zylinderkopf mit einer darin gelagerten Nockenwelle der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine besonders leichte Lagerung der Nockenwelle in Axialrichtung auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, sämtliche bei der Lagerung einer Nockenwelle in Axialrichtung auftretende Axialkräfte über zumindest ein dafür ausgebildetes Wälzlager aufzunehmen und dadurch bisher erforderliche, zusätzliche Gleitlager, wie Anlaufscheiben, gänzlich entbehrlich zu machen. In einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine ist somit die Nockenwelle über zumindest ein Wälzlager in Axialrichtung gelagert, wobei das zumindest eine Wälzlager gleichzeitig derart ausgebildet ist, dass über dieses sämtliche auftretende Axialkräfte aufnehmbar sind. Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Lagerarten, bspw. Radiallager, die zugleich zur Aufnahme geringer Axialkräfte in der Lage sind oder aber Gleitlager, bietet das erfindungsgemäße axiale Wälzlager den großen Vorteil einer leicht gängigen Axiallagerung der Nockenwelle, wobei das erfindungsgemäße Wälzlager zugleich üblicherweise keine separate Schmierung erfordert, was den konstruktiven Aufwand zur Realisierung eines derartigen Axiallagers zusätzlich reduziert. Auch bietet ein derartiges erfindungsgemäßes Wälzlager den großen Vorteil, dass dieses beim Stillstand der Brennkraftmaschine nicht anhaftet, sodass beim Start der Brennkraftmaschine keine Losreißkräfte überwunden werden müssen. Aufgrund der im Vergleich zu bisher bekannten Gleitlagern deutlich geringeren Lagerreibung bei Wälzlagern kann darüber hinaus ein Kraftstoffverbrauch eines mit einer derartigen Brennkraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs deutlich, bspw. um ca. 2%, gesenkt werden, was sowohl im Hinblick auf stetig steigende Kraftstoffpreise als auch im Hinblick auf ein Emissionsverhalten von großem Vorteil ist. Das erfindungsgemäße Wälzlager kann dabei von dem ohnehin im Zylinderkopf- bzw. Zylinderkurbelgehäuse vorhandenen Ölnebel geschmiert werden, ohne dass hierfür eine separate Schmierung erforderlich wäre, sodass auch eine bisher erforderliche Ölpumpe kleiner dimensioniert werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist auf einer Axialstirnseite eines Nockens, eines Antriebszahnrads und/oder eines Lagerbocks ein Wälzkörperbett eingebracht, in welchem die Kugeln/Rollen/Wälzkörper des Wälzlagers laufen. Eine derartige Ausbildung des erfindungsgemäßen Wälzlagers ermöglicht eine bauraumoptimierte Unterbringung desselben, da dieses versenkt, das heißt ohne Bauraumbedarf in Axialrichtung, in zwei benachbarten Bauteilen, bspw. in einem Lagerbock und einem Antriebszahnrad integriert werden kann. Eine derartige Lösung ist insbesondere für die in heutigen Motorräumen beengten Raumverhältnisse von großem Vorteil.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch:
1 eine Schnittdarstellung durch einen Zylinderkopf mit einer erfindungsgemäßen Axiallagerung einer Nockenwelle,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform der Axiallagerung der Nockenwelle,
3, 4 weitere alternative Ausführungsformen der Axiallagerung der Nockenwelle.
Entsprechend den 1 bis 4, weist ein Zylinderkopf 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine eine darin gelagerte Nockenwelle 2 auf. Die Nockenwelle 2 dient dabei in bekannter Weise zur Steuerung von Ein/Auslassventilen und wird bspw. mittels eines Ketten-/Riemenantriebs von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Drehmomentübertragung erfolgt dabei über ein Antriebszahnrad 3. Um eine möglichst leichtgängige Lagerung der Nockenwelle 2 zu erreichen, wird diese in Radialrichtung üblicherweise über Wälzlager 4, die bspw. als Kugel-, Nadel- oder Rollenlager ausgebildet sind, gelagert. Das Wälzlager 4 ist dabei zwischen der Nockenwelle 2 und einem Lagerbock 5 des Zylinderkopfes 1 angeordnet. Eine Lagerung der Nockenwelle 2 in Axialrichtung wurde bisher über Gleitlager, bspw. über sog. Anlaufscheiben, realisiert, wobei derartige Gleitlager jedoch im Vergleich zu Wälzlagern ein deutlich erhöhtes Reibverhalten aufweisen und dadurch deutlich schwergängiger sind. Zudem besteht bei derartigen Gleitlagern stets die Gefahr, dass die Nockenwelle 2 beim Stillstand der Brennkraftmaschine im Bereich des Gleitlagers anhaftet und daher beim Starten der Brennkraftmaschine erst eine Losreißkraft überwunden werden muss. Erfindungsgemäß ist deshalb die Nockenwelle 2 über zumindest ein Wälzlager 6 in Axialrichtung 7 gelagert, wobei das zumindest eine Wälzlager 6 derart ausgebildet ist, dass über dieses sämtliche auftretenden Axialkräfte aufgenommen werden können. Das Axialwälzlager 6 ist dabei gemäß der 1, d. h. gemäß einer ersten Ausführungsvariante, zwischen dem Antriebszahnrad 3 und dem Lagerbock 5 angeordnet. Zusätzlich ist ein weiteres Axiallager 6' vorgesehen, welches zwischen dem Lagerbock 5 und einem Nocken 8 der Nockenwelle 2 angeordnet ist. Die Walzlager 6, 6' weisen dabei jeweils zylinderartige Wälzkörper 9, 9' auf, wobei die Wälzkörper 9, 9' selbstverständlich auch als Kugeln ausgebildet sein können. Betrachtet man die 1, so kann man erkennen, dass bei jedem Wälzlager 6, 6' ein fest mit dem Lagerbock 5 verbundener Lagerring 10 und ein jeweils fest mit der Nockenwelle 2 verbundener Lagerring 10' vorgesehen sind, die axial zueinander beabstandet sind und zwischen welchen die Wälzkörper 9, 9' rollend gelagert sind.
Demgegenüber ist gemäß der 2 eine Ausführung des erfindungsgemäßen Walzlagers 6 gezeigt, bei welchem ein tonnenförmiger Wälzkörper 9'' verwendet wird, der in einem komplementär dazu ausgebildeten Wälzkörperbett 11 und 11' läuft. Das Wälzkörperbett 11 ist dabei an einem Axialfortsatz des Nockens 8 angeordnet und komplementär zum Wälzkörper 9'' ausgebildet, wogegen das gegenüberliegende Wälzkörperbett 11' eine konkave Form aufweist. Durch das Zusammenwirken der Wälzkörperbetten 11, 11' mit dem zugehörigen tonnenförmigen Wälzkörper 9'' ist die Aufnahme sämtlicher auftretender Axialkräfte möglich. Selbstverständlich kann dabei das erfindungsgemäße Wälzlager 6 auch zur Radiallagerung der Nockenwelle 2 dienen.
Gemäß der 3 ist ein Zylinderkopf 1 gezeigt, bei welchem sowohl im Nocken 8 als auch im daran angrenzenden Lagerbock 5 jeweils ein Wälzkörperbett 11 und 11' eingebracht ist, in welchem die Wälzkörper 9, hier als Kugeln ausgebildet, laufen. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass das erfindungsgemäße Axialwälzlager 6 nahezu keinen axialen Bauraumbedarf aufweist und dadurch bauraumoptimierend untergebracht ist. Zwischen dem Lagerbock 5 und einem weiteren Nocken 8' ist ein weiteres axiales Wälzlager 6 angeordnet, wobei dieses als Zylinderrollenlager ausgebildet ist und daher zylinderrollenartig ausgebildete Wälzkörper 9 aufweist. Die Zylinderrollen, d. h. die Wälzkörper 9, laufen in diesem Fall direkt auf einer axialen Stirnseite des Lagerbocks 5 bzw. des Nockens 8'.
Bei einer Ausführungsform gemäß der 4 sind zwei Wälzlager 6 und 6' vorgesehen, nämlich ein erstes Wälzlager 6 zwischen einem Nocken 8 bzw. einem Antriebszahnrad 3 einerseits und einer Anlaufplatte/thrust-plate 12 andererseits sowie ein zweites Wälzlager 6' zwischen der Anlaufplatte/thrustplate 12 und dem Lagerbock 5, wobei das jeweilige Wälzkörperbett 11, 11' in einem radial äußeren Bereich liegt. Die Nockenwelle 2 gemäß der 4 ist dabei als Vollwelle ausgebildet, wobei diese selbstverständlich ebenfalls – wie dies in den 1 bis 3 gezeigt ist – als Hohlwelle ausgebildet sein kann.
Mit dem erfindungsgemäßen, in Axialrichtung wirksamen Wälzlager 6, 6', lässt sich insbesondere ein bisher üblicherweise verwendetes Gleitlager ersetzen und dadurch wesentlich bessere Lagereigenschaften erzielen. Insbesondere kann über ein derartiges Wälzlager 6, 6' ein Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von ca. 2% erreicht werden und insbesondere eine bei Gleitlagern erforderliche Losreißkraft beim Starten der Brennkraftmaschine vermieden werden. Da die erfindungsgemäßen Wälzlager 6, 6' mit dem ohnehin im Zylinderkopf 1 vorhandenen Ölnebel als Schmierung auskommen, entfällt auch eine konstruktiv aufwändige und teure Schmierung derselben, wodurch insbesondere Schmiermittelpumpen kleiner dimensioniert und dadurch kostengünstiger ausgelegt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1995417 B1 [0003, 0003]

Claims

Zylinderkopf (1) einer Brennkraftmaschine mit einer darin gelagerten Nockenwelle (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (2) über zumindest ein Wälzlager (6, 6') in Axialrichtung (7) gelagert ist, wobei das zumindest eine Walzlager (6, 6') derart ausgebildet ist, dass über dieses sämtliche auftretende Axialkräfte aufnehmbar sind.
Zylinderkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (6, 6') als Kugellager, als Lager mit tonnenförmigen Wälzkörpern (9) oder als Zylinderrollenlager ausgebildet ist.
Zylinderkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Wälzlager (6, 6') zwischen einem Antriebszahnrad (3) und einem Lagerbock (5) angeordnet ist.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Wälzlager (6') zwischen einem Nocken (8) und einem Lagerbock (5) angeordnet ist.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Axialstirnseite im Nocken (8), im Antriebszahnrad (3) und/oder im Lagerbock (5) ein Wälzkörperbett (11,11') eingebracht ist, in welchem die Kugeln/Rollen/Wälzkörper (9) des Wälzlagers (6, 6') laufen.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Wälzlager (6, 6') tonnenförmige Wälzkörper (9, 9') aufweist, die in komplementär dazu ausgebildeten Wälzkörperbetten (11, 11') laufen.
Zylinderkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Nocken (8) ein Axialfortsatz angeordnet ist, der ein komplementär zum tonnenförmig ausgebildeten Wälzkörper (9'') ausgebildetes Wälzkörperbett (11) aufweist, wobei das gegenüberliegende Wälzkörperbett (11') eine konkave Form aufweist.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wälzlager (6, 6') vorgesehen sind, nämlich ein erstes Wälzlager (6) zwischen einem Nocken (8) und einer Anlaufplatte/Thrustplate (12) und ein zweites Wälzlager (6') zwischen der Anlaufplatte/Thrustplate (12) und dem Lagerbock (5), wobei das jeweilige Wälzkörperbett (11, 11') in einem radial äußeren Bereich liegt.
Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Nocken (8) und einem Lagerbock (5) ein als Zylinderrollenlager ausgebildetes Wälzlager (6) vorgesehen ist, wobei die Zylinderrollen (9) direkt auf einer axialen Stirnseite des Lagerbocks (5) und des Nockens (8) laufen.