DE102011075158A1

DE102011075158A1 - Nockenwellen- oder Nockenverstellmechanismus mit kraftschlüssig in einen Freilauf eingebundenen Schlingfedern

Info

Publication number: DE102011075158A1
Application number: DE102011075158A
Authority: DE
Inventors: Claudia Zielinski; Michael Bogner
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-05-03
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2012-11-08

Abstract

Nockenverstellmechanismus mit einer um eine Rotationsachse rotierbaren Welle (1), wie einer Nockenwelle, mit einem ersten wellenfesten Nocken (3), mit einem zweiten, zu verstellenden Nocken (5), der innerhalb eines festgelegten Bereichs drehbar auf der Welle (1) gelagert ist, und mit einem Freilauf (6), der mittels eines von ihm umfassten Fliehgewichts so verstellbar ist, dass bei einer entsprechenden Rotationsgeschwindigkeit der Welle (1) ein Verstellen des ersten Nockens (3) relativ zum zweiten Nocken (5) erfolgt, wobei der Freilauf (6) zumindest eine Schlingfeder (7) und eine Hülse (8) umfasst, wobei die Schlingfeder (7) kraftschlüssig mit der Hülse (8) und/oder kraftschlüssig mit einem mit dem zu verstellenden Nocken (5) verbundenen Kraftübertragungselement (14) in Wirkzusammenhang steht. Die Erfindung betrifft auch eine Ein-Zylinder-Verbrennungskraftmaschine mit einer einzelnen, oben liegenden Nockenwelle für ein Motorrad mit einem solchen Nockenverstellmechanismus.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Nockenverstellmechanismus mit einer um eine Rotationsachse rotierbaren Welle, wie einer Nockenwelle, mit einem ersten wellenfesten Nocken, mit einem zweiten, zu verstellenden Nocken, der innerhalb eines festgelegten Bereichs drehbar auf der Welle gelagert ist, und mit einem Freilauf, der mittels eines von ihm umfassten Fliehgewichts so verstellbar ist, dass bei einer entsprechenden Rotationsgeschwindigkeit der Welle ein Verstellen des ersten Nockens relativ zum zweiten Nocken erfolgt, wobei der Freilauf zumindest eine Schlingfeder und eine Hülse umfasst.
Ein solcher Nockenverstellmechanismus kann auch als Nockenwellenverstellmechanismus bezeichnet werden.
Aus dem Stand der Technik sind Nockenverstellmechanismen bekannt, etwa aus der JP 09-324614 oder der US 2009/0240420 A1 . solche Nockenverstellmechanismen werden eingesetzt, um das Verbrauchsverhalten von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Motorrädern, wie Kleinkrafträdern, zu verbessern.
Das grundsätzliche Prinzip eines Freilaufes mit Einbindung von Schlingfedern ist auch aus einer auf der Erfindungsmeldung E105728 basierenden Patentanmeldung bekannt. Dabei sind zwei Fliehgewichte beidseitig eines Einlassnockens auf der Welle schwenkbar angeordnet.
Die Fliehgewichte umgreifen die Welle dabei vollständig. Die Fliehgewichte aktuieren den Einlassnocken.
Bezüglich der hier vorliegenden Erfindung kann der erste wellenfeste Nocken vorteilhafterweise der Auslassnocken sein, wohingegen der zweite, zu verstellende Nocken, der Einlassnocken ist. Allerdings ist es auch möglich, dass der Auslassnocken verstellt wird und der Einlassnocken wellenfest angebracht ist. In beiden Fällen bleibt eine Relativverstellung zwischen dem Einlassnocken und dem Auslassnocken möglich.
Es hat sich gezeigt, dass das Vorhalten einer Schlingfeder in den Freilauf bereits bedeutende Verbesserungen bringt. Allerdings bedarf die Anbindung der Schlingfeder an weitere aktuierende Elemente einer Optimierung, da die bisherigen Verbindungsformen, insbesondere mittels Federschenkelenden, die in die Hülse eingreifen, den auftretenden Dauerbelastungen in Extrembedingungen nicht gewachsen sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Nockenverstellmechanismus zur unabhängigen Verstellung von Einlass- und Auslassnocken, vorzugsweise für Ein-Zylinder-Verbrennungskraftmaschinen mit einer einzelnen oben liegenden Nockenwelle, zur Verfügung zu stellen, wobei eine einfache kostengünstige und besonders ausfallsichere Gestaltung erreicht werden soll.
Die bei Motorrädern zunehmenden Regularien sollen mit kostengünstigen Mitteln, insbesondere zur Verbesserung der Abgasemissionen, verbessert werden.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schlingfeder kraftschlüssig mit der Hülse und/oder kraftschlüssig mit einem mit dem zu verstellenden Nocken verbundenen Kraftübertragungselement in Wirkzusammenhang steht.
Auf diese Weise kann, beispielsweise, bei einem Reibschluss, eine zerstörungsunanfällige Verbindungsart zwischen der Schlingfeder und der Hülse einerseits und/oder zwischen der Schlingfeder und dem Kraftübertragungselement andererseits erreicht werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn der Freilauf zwei Hülsen aufweist, von denen jede einzelne Hülse mit einer eigenen Schlingfeder kraftschlüssig verbunden ist. Auf diese Weise kann der Freilauf so ausgestaltet werden, dass er in Abhängigkeit von der Auslenkung des Fliehgewichts oder der Fliehgewichte bei einer entsprechenden Rotationsgeschwindigkeit der Welle fliehkraftabhängig in seiner Blockierrichtung verstellt wird. Drei Schaltpositionen sind dann realisierbar, welche als links, rechts oder arretiert bezeichnet werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse mit zugehörigen Schlingfedern beidseitig des zu verstellenden Nockens, die Welle umschlingend, angeordnet ist. Dadurch lässt sich eine besonders kompakte Bauweise realisieren.
Um den Kraftschluss besonders einfach und effizient zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Schlingfeder Windungen aufweist, von denen eine erste Gruppe von Windungen einen größeren Außendurchmesser als eine zweite Gruppe von Windungen aufweist. Die erste Gruppe von Windungen steht dann in Kraftschluss mit der Hülse, wohingegen die zweite Gruppe von Windungen auf einem wellenfesten Bauteil, wie etwa dem ersten wellenfesten Nocken oder einer wellenfesten Hülse, aufliegt und beabstandet zur Hülse ist.
Es ist ferner von Vorteil, wenn die Schlingfeder Windungen aufweist, von denen eine dritte Gruppe von Windungen einen kleineren Innendurchmesser als eine zweite Gruppe von Windungen aufweist, da dann die dritte Gruppe von Windungen kraftschlüssig mit dem Kraftübertragungselement und/oder dem zweiten zu verstellenden Nocken in Kraftschluss steht. Die zweite Gruppe von Windungen liegt dabei, schaltpositionsabhängig locker und nicht kraftübertragend auf einem wellenfesten Bauteil auf.
Wenn die zweite Gruppe von Windungen zwischen der ersten Gruppe von Windungen und der dritten Gruppe von Windungen befindlich ist, so lässt sich die Schlingfeder besonders einfach fertigungstechnisch herstellen.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn ein Durchmesserunterschied der drei Gruppen von Windungen zwischen 1/10 mm bis 7/10 mm, vorzugsweise 2/10 mm oder 3/10 mm, beträgt.
Um ausreichend Kraft übertragen zu können, ist es von Vorteil, wenn wenigstens drei Windungen die erste Gruppe von Windungen bilden.
Auch ist es von Vorteil, um zwischen der Schlingfeder und dem zu verstellenden Nocken eine ausreichend sichere Verbindung herzustellen, wenn wenigstens sechs Windungen die dritte Gruppe von Windungen bilden.
Die Erfindung betrifft auch eine Ein-Zylinder-Verbrennungskraftmaschine mit einer einzelnen, oben liegenden Nockenwelle für ein Motorrad, insbesondere ein Kleinkraftrad, mit einem erläuterten Nockenverstellmechanismus.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist in der Zeichnung näher erläutert. So zeigt:
1 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenverstellmechanismus in einer Schnittdarstellung.
Die Figur ist lediglich schematischer Natur und dient nur dem Verständnis der Erfindung.
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines Nockenverstellmechanismus dargestellt. Der Nockenverstellmechanismus umfasst eine Welle 1, die als Nockenwelle ausgebildet ist. Die Nockenwelle rotiert um eine Rotationsachse 2 während des Betriebes. Auf der Welle ist ein erster Nocken 3 wellenfest angebracht.
Der erste Nocken 3 weist einen Fortsatz 4 auf, der sich in Richtung eines zweiten Nockens 5 erstreckt. Der zweite Nocken 5 ist drehbar auf der Welle 1 gelagert. Der zweite Nocken 5 ist zwischen zwei Extrempositionen, die vordefiniert sind, bewegbar. Der erste Nocken 3 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein Auslassnocken, kann jedoch auch ein Einlassnocken sein. Der im Ausführungsbeispiel dargestellte zweite Nocken 5 ist ein Einlassnocken, kann jedoch auch ein Auslassnocken sein. Durch die Verstellbarkeit des zweiten Nockens 5 relativ zum ersten Nocken 3 kann eine unabhängige Variation der Phasenlage des Einlassventils in Relation zum Auslassventil erreicht werden.
Der zweite Nocken 5 steht mit einem Freilauf 6 in Wirkzusammenhang. Der Freilauf 6 umfasst zwei Schlingfedern 7, die beiderseits des zweiten Nockens 5 angeordnet sind. Der Freilauf 6 umfasst auch zumindest ein nicht dargestelltes Fliehgewicht. Bei der Ausführungsform gemäß 1, sind jedoch zwei nicht dargestellt Fliehgewichte vorhanden. Der Freilauf 6 umfasst auch für jede Schlingfeder 7 eine eigene Hülse 8.
Jede Schlingfeder 7 weist ein erstes Ende 9 und ein zweites Ende 10 auf.
Das erste Ende 9 der jeweiligen Schlingfeder 7 steht mit der jeweiligen Hülse 8 in kraftschlüssigem Wirkzusammenhang. Dieser kraftschlüssige Wirkzusammenhang wird über einen Reibschluss erreicht. Der Reibschluss liegt an jeder Windung einer ersten Gruppe von Windungen 11 der Schlingfeder 7 vor, wobei die erste Gruppe von Windungen 11 das erste Ende 9 der Schlingfeder 7 mit umfasst. Die erste Gruppe von Windungen 11 umfasst wenigstens drei Windungen, vorzugsweise vier oder fünf Windungen.
Eine zweite Gruppe von Windungen 12 schließt sich an die erste Gruppe von Windungen 11 an. An die zweite Gruppe von Windungen 12 anschließend, ist eine dritte Gruppe von Windungen 13 vorhanden, die zumindest sechs Windungen, vorteilhafterweise sieben oder acht Windungen, umfasst. Die dritte Gruppe von Windungen 13 steht in kraftschlüssigem Wirkzusammenhang mit einem Kraftübertragungselement 14. Das Kraftübertragungselement 14 ist ein integraler Bestandteil des zweiten Nockens 5 und hülsenartig ausgeformt.
Die erste Gruppe von Windungen 11 weist einen größeren Außendurchmesser als die zweite und dritte Gruppe von Windungen 12 und 13 auf. Die dritte Gruppe von Windungen 13 weist einen kleineren Innendurchmesser als die erste Gruppe von Windungen 11 und die zweite Gruppe von Windungen 12 auf. Der jeweilige Größenunterschied beträgt nur wenige Zehntel Millimeter, vorzugsweise 1/10 mm bis 7/10 mm, weiter vorzugsweise 2/10 mm oder 3/10 mm.
Die beiden voneinander getrennten Bauabschnitte des Freilaufs 6, also beidseitig des zweiten Nockens 5, sind zueinander spiegelsymmetrisch aufgebaut, derart, dass die zweite Gruppe von Windungen 12 auf einem wellenfesten Bauteil 4 oder 15 aufliegt. Dadurch wird bei entsprechender Kraftübertragung der Schlingfeder 7 auf das wellenfeste Bauteil 15 oder den Fortsatz 4 ein Blockieren der Bewegung des zweiten Nockens 5 erreichbar.
Die Anordnung ist dergestalt, dass bei Ein-Zylinder-SOHC-Motoren eine Verstellung der Phasenlage des Einlassnockens in Relation zum Auslassnocken ermöglicht wird. Der Auslassnocken wird hierbei ortsfest auf der Welle 1 befestigt. In gleicher Weise wird ein Antriebsrad, beispielsweise ein Kettenrad, auf der Welle 1 befestigt. Hiermit wird eine eindeutige Zuordnung der Phasenlage zwischen dem Auslassnocken, also dem ersten Nocken 3, und dem Antriebsrad gewährleistet. Erfindungsgemäß wird der zu verstellende Nocken 5 drehbar auf der als Nockenwelle ausgestalteten Welle 1 gelagert und über einen Freilauf, der zwei gegenläufige Abschnitte aufweist, unter Einsatz von Schlingfedern 7 in der gewünschten Position fixiert.
Die Hülsen 8 werden über einen nicht näher erläuterten Fliehkraftmechanismus betätigt.
Steht die Welle 1 still, ist der zu verstellende Nocken 5 durch die beiden vorgespannten Schlingfedern 7, die einerseits vor ihm angeordneten sind, in der Vorzugslage arretiert. Bei Überschreiten einer definierten Grenzdrehzahl beginnt, je nach festgelegter Feststellrichtung, das Fliehgewicht die jeweilige Hülse 8 zu bewegen, wodurch sich die für die Betätigung relevanten ersten Federenden 9 verdrehen. Das durch den Ventiltrieb erzeugte, auf den Nocken 5 wirkende Wechselmoment, verstellt den Nocken 5 in die durch die Schlingfedern 7 freigegebene Richtung. Die Verstellung des Nockens 5 wiederum bewirkt eine Öffnung der gegenüberliegend angeordneten Schlingfeder 7. Dies bewirkt, dass jetzt auch das zweite Fliehgewicht über die andere Hülse 8 öffnen kann. Sinkt die Drehzahl ab, kehrt sich der Effekt um: Das zweite Fliehgewicht wird über die Federvorspannung wieder zurück in Richtung der Ausgangslage bewegt, so dass die entsprechende Hülse 8 die entsprechende Schlingfeder 7 in öffnender Richtung bewegt und einen definierten Feststellweg sowie eine definierte Verstellrichtung des Nockens freigibt. Die Wechselmomente bewegen den Nocken 5 wieder entgegen der vorher freigegebenen Bewegungsrichtung. Die Rückdrehung bewirkt eine Betätigung der entsprechenden Schlingfeder 7 in öffnender Richtung, wobei die Schlingfeder 7 über das dieser Feder zugeordnete Fliehgewicht wieder in die Ausgangslage zurückbewegt werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass derselbe Mechanismus auch in einem Nockenwellenrad oder in einem Kurbelwellenrad angeordnet werden kann und somit eine Verstellung der gesamten Nockenwelle ermöglicht wäre.
Es ist von Vorteil, wenn der maximal mögliche Verstellweg des Nockens 5 in Relation zur Welle 1 durch ein, vorzugsweise im Grundkreis angeordneten Pin, der eine in eine im Nocken 5 angebrachte Nut eingreift, begrenzt ist.
Bezugszeichenliste

1: Welle
2: Rotationsachse
3: Erster Nocken
4: Fortsatz
5: Zweiter Nocken
6: Freilauf
7: Schlingfeder
8: Hülse
9: Erste Ende
10: Zweites Ende
11: Erste Gruppe von Windungen
12: Zweite Gruppe von Windungen
13: Dritte Gruppe von Windungen
14: Kraftübertragungselement
15: Wellenfestes Bauteil

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

JP 09-324614 [0003]
US 2009/0240420 A1 [0003]

Claims

Nockenverstellmechanismus mit einer um eine Rotationsachse rotierbaren Welle (1), wie einer Nockenwelle, mit einem ersten wellenfesten Nocken (3), mit einem zweiten, zu verstellenden Nocken (5), der innerhalb eines festgelegten Bereichs drehbar auf der Welle (1) gelagert ist, und mit einem Freilauf (6), der mittels eines von ihm umfassten Fliehgewichts so verstellbar ist, dass bei einer entsprechenden Rotationsgeschwindigkeit der Welle (1) ein Verstellen des ersten Nockens (3) relativ zum zweiten Nocken (5) erfolgt, wobei der Freilauf (6) zumindest eine Schlingfeder (7) und eine Hülse (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlingfeder (7) kraftschlüssig mit der Hülse (8) und/oder kraftschlüssig mit einem mit dem zu verstellenden Nocken (5) verbundenen Kraftübertragungselement (14) in Wirkzusammenhang steht.
Nockenverstellmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (6) zwei Hülsen (8) aufweist, von denen jede einzelne Hülse (8) mit einer eigenen Schlingfeder (7) kraftschlüssig verbunden ist.
Nockenverstellmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülsen (8) mit zugehörigen Schlingfedern (7) beidseitig des zu verstellenden Nockens (5), die Welle (1) umschlingend, angeordnet sind.
Nockenverstellmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlingfeder (7) Windungen aufweist, von denen eine erste Gruppe von Windungen (11) einen größeren Außendurchmesser als eine zweite Gruppe von Windungen (12) aufweist.
Nockenverstellmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlingfeder (7) Windungen aufweist, von denen eine dritte Gruppe von Windungen (13) einen kleineren Innendurchmesser als eine zweite Gruppe von Windungen (12) aufweist.
Nockenverstellmechanismus nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe von Windungen (12) zwischen der ersten Gruppe von Windungen (11) und der dritten Gruppe von Windungen (13) befindlich ist.
Nockenverstellmechanismus nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesserunterschied zwischen 1/10 mm bis 7/10 mm, vorzugsweise 2/10 mm oder 3/10 mm, beträgt.
Nockenverstellmechanismus nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Windungen die erste Gruppe von Windungen (11) bilden.
Nockenverstellmechanismus nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens sechs Windungen die dritte Gruppe von Windungen (13) bilden.
Ein-Zylinder-Verbrennungskraftmaschine mit einer einzelnen, oben liegenden Nockenwelle für ein Motorrad mit einem Nockenverstellmechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 9.