DE102011103544A1

DE102011103544A1 - Lagerung einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE102011103544A1
Application number: DE102011103544A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kirbach Lutz; Thomas Binder; Guido Scherzinger; Markus Niederlechner; Stefan Kieninger
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG; ThyssenKrupp Presta TecCenter AG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG; Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-12-13
Also published as: DE112012002395A5; WO2012167867A8; US20140109851A1; WO2012167867A1; CN103608553A; US9121354B2; CN103608553B

Abstract

Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb, mit zumindest einem Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem als Ein- und Auslassventil ausgebildeten Gaswechselventil beherrscht sind, die durch Nocken zumindest einer Nockenwelle und von diesen angetriebenen Übertragungselementen betätigbar sind, wobei die Nocken als Schiebenocken mit zumindest zwei Nocken pro Schiebenockeneinheit ausgebildet sind, die mittels Innenverzahnung auf einer Grundwelle mit Außenverzahnung drehfest aber axial verschiebbar angeordnet sind, mit zumindest einer Brennkraftmaschinenfesten Vorrichtung zur Verschiebung der Schiebenockeneinheit in unterschiedliche axiale Positionen mittels mit einem Aktorstift zusammenwirkenden Verschiebenuten am Umfang der Schiebenockeneinheit, und mit Lagern zur radialen und axialen Festlegung der Nockenwelle an einem Bauteil der Brennkraftmaschine, wobei die Grundwelle mittels Lager an dem Bauteil der Brennkraftmaschine geführt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb, mit zumindest einem Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem als Ein- und Auslassventil ausgebildeten Gaswechselventil beherrscht sind, die durch Nocken zumindest einer Nockenwelle und von diesen angetriebenen Übertragungselementen betätigbar sind, wobei die Nocken als Schiebenocken mit zumindest zwei Nocken pro Schiebenockeneinheit ausgebildet sind, die mittels Innenverzahnung auf einer Grundwelle mit Außenverzahnung drehfest aber axial verschiebbar angeordnet sind, mit zumindest einer Brennkraftmaschinenfesten Vorrichtung zur Verschiebung der Schiebenockeneinheit in unterschiedliche axiale Positionen mittels mit einem Aktorstift zusammenwirkenden Verschiebenuten am Umfang der Schiebenockeneinheit, und mit Lagern zur radialen und axialen Festlegung der Nockenwelle an einem Bauteil der Brennkraftmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Eine Nockenwelle zum Einbau in eine derartigen Hubkolbenbrennkraftmaschine ist aus der DE- 101 48 243 A1 bekannt. Bei dieser Nockenwelle weisen die Schiebenockeneinheiten an ihrem Außenumfang Lagerstellen auf, die in an der Brennkraftmaschine abgestützten Gleitlagern geführt sind. Dabei entspricht die Breite der Lagerstelle der Breite des Gleitlagers zuzüglich des Verschiebeweges der Schiebenockeneinheit in axialer Richtung. Deshalb benötigt das Gleitlager insgesamt eine große Erstreckung in axialer Richtung der Nockenwelle, wodurch ein großer Bauraum benötigt wird, was als ungünstig empfunden wird. Darüber hinaus ist die Grundwelle der Nockenwelle dadurch nur indirekt über die Innen- und Außenverzahnung der Schiebenockeneinheiten und der Grundwelle radial geführt. Auch dies wird nicht als optimal angesehen, da die Grundwelle der Nockenwelle, die mit dem Kurbeltrieb der Hubkolbenbrennkraftmaschine antriebsseitig in Verbindung steht, nicht hinreichend exakt geführt ist.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Lagerung der Nockenwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine so zu verbessern, dass die beschriebenen Nachteile behoben werden, wobei eine exakte Lagerung der Nockenwelle erfolgen soll. Die Lagerung soll darüber hinaus unabhängig von der Lagerart sein. Dabei soll auch eine kostengünstige Herstellung mit einfachen Mitteln erfolgen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Grundwelle mittels Lager an dem Bauteil der Brennkraftmaschine geführt ist. Dadurch ist eine exakte Lagerung der Grundwelle und auch der Nockenwelle insgesamt gegeben, wobei auch die Breite der Lager nur entsprechend der Lager-Gegebenheiten ausgeführt werden muss. Die Lager können nun auf einer kreiszylindrisch glatten Lagerstelle, die im Durchmesser kleiner oder größer als die Außenverzahnung ausgeführt ist, angebracht sein. Die Lager sind an Stellen auf der Grundwelle angeordnet, die nicht von den Schiebenockeneinheiten benutzt werden. Die Lagerstellen dienen dabei als Stützen für Gleitlager oder auch für Wälzlager. Ggf. müssen dann die Lagergehäuse geteilt ausgeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass auf der Grundwelle Ringe befestigt sind, die als Stützelemente für Lager ausgebildet sind. Durch die Ringe wird erreicht, dass ihr Außendurchmesser größer ist als die Außenverzahnung, sodass die Lagerstellen axiale gut zugänglich sind. Die Ringe können auch als geteilte Ringe ausgeführt und auf der Grundwelle befestigt, z. B. verspannt sein. Die Ringe sind dabei direkt mit der Grundwelle verbunden, so dass eine exakte Führung der Grundwelle gegeben ist. Da die Grundwelle axial festgelegt ist, brauchen die Ringe lediglich die gewünschte Lagerbreite aufzuweisen.
Die Grundwelle weist in vorteilhafter Weise eine die Bereiche der Schiebenockeneinheiten und der Ringe umfassende durchgehende Außenverzahnung auf. Die Verzahnung kann somit kastengünstig entlang der Grundwelle hergestellt werden Die Ringe sind dann auf der Außenverzahnung der Grundwelle befestigt. Dabei kann die Außenverzahnung der Grundwelle, z. B. als Keilwellenprofil oder als Zahnnabenprofil mit Evolventenverzahnung oder auch als Polygonprofil ausgeführt sein. Die Ringe können dabei auf ihrer Innenseite entweder kreiszylindrisch glatt oder zu dem jeweiligen Profil passend ausgeführt werden, wobei die Befestigung der Ringe vorzugsweise mittels einer kraftschlüssigen Verbindung erfolgt, wobei insbesondere eine Pressverband vorgesehen ist. Es kann aber auch eine formschlüssige Festlegung der Ringe auf der Grundwelle erfolgen, wobei dies z. B. mittels Federringen vorgenommen werden kann.
Insbesondere bei Keilwellenprofilen, die ausgeprägte Kopfkreisflächen und Fußkreisflächen mit radial ausgerichteten Zahnflanken aufweisen, bietet es sich an, Ring mit kreiszylindrischem Innenmantel zu verwenden. Die Innenflächen der Ringe können aber auch dem Keilwellenprofil nachgebildet sein, wobei die Innenflächen des Profils an den Ringen sich auf den Kopf- und/oder Fußkreisflächen abstützen können. Bei Abstützung auf den Fußkreisflächen brauchen nicht alle Flächen benutzt zu werden. Es reicht ggf. aus, wenn die Innenflächen sich beispielsweise auf drei über den Umfang verteilte Fußkreisflächen abstützen.
Wenn das Außenprofil der Grundwelle als Zahnnabenprofil mit Evolventenverzahnung ausgebildet ist, können die Ringe auch alternativ eine passende Innenverzahnung mit trapezförmigen Flanken aufweisen, wobei die Evolventen des Zahnnabenprofils und die trapezförmigen Flanken der Innenverzahnung der Ringe zueinander so passend ausgeführt sind, dass eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt werden kann.
Die zuvor beschriebenen Ringe sind insbesondere als Innenringe von Wälzlagern, insbesondere Nadellagern geeignet. Dabei ergibt sich eine raumsparende kostengünstige Lagergestaltung, wobei für diese Wälzlager keine eigene Ölzufuhr mit Ölkanälen erforderlich ist, wie dies bei Gleitlagern notwendig ist, da sie mit dem üblicherweise unter der Ventilhaube vorhandenen Ölnebel auskommen.
In weiterer Ausgestaltung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle mit den folgenden Arbeitsschritten vorgeschlagen:

– Herstellen der Grundwelle mit durchgehender Außenverzahnung,
– Herstellen der Schiebenockeneinheiten und Vormontage derselben auf der Grundwelle,
– Fertigschleifen der Nockenkonturen der Nocken der Schiebenockeneinheiten,
– Demontage der Schiebenockeneinheiten und Reinigen derselben und der Grundwelle,
– Abwechselnde Montage der Schiebenockeneinheiten und der kompletten Wälzlager einschließlich der Ringe, die auch als Lagerinnenringe dienen, auf der Grundwelle und
– Angleichen der Temperaturen der Bauteile.

Die Ringe werden in einfacher Weise auf die Außenverzahnung der Grundwelle gesetzt und mittels Kraftaufwand an die passende Stelle geschoben. Zur leichteren Überwindung des Widerstandes zwischen Außenverzahnung und Ring kann ggf. ein Gleit-/Haftmittel verwendet werden, das nach Positionieren der Ringe an der passenden Stelle auch eine gute Sitzhaftung sicherstellt.
In weiterer Ausgestaltung des Herstellungsverfahrens wird vorgeschlagen, dass vor der Montage der Ringe die Grundwelle tiefgekühlt wird und dadurch schrumpft, sodass die Montage der Ringe erleichtert wird.
Sobald sich die Grundwelle erwärmt und sich den Temperaturen der übrigen Bauteile anpasst, entsteht eine kraftschlüssige Verbindung der Ringe auf der Grundwelle mit einem vorgewählten Presssitzverband.
Alternativ zu der Tiefkühlung der Grundwelle können die Ringe auch erwärmt werden. Dann sollten die Lager, insbesondere Wälzlager, erst dann montiert werden, wenn sich die Ringe ausreichend abgekühlt haben. Beide Maßnahmen können auch in Kombination angewandt werden.
Um die Genauigkeit der Lage der Nocken zu verbessern, können die Schiebenockeneinheiten in derselben Position und Winkellage wie beim Fertigschleifen auf der Grundwelle endmontiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
1: eine Seitenansicht einer fertig montierten Nockenwelle,
2: ein Schnitt durch die Nockenwelle gemäß der Linie A-A in 1,
3: eine vergrößerte Ansicht der Markierung Z in 2 entsprechend Version 1 und
3: eine vergrößerte Ansicht der Markierung Z in 2 entsprechend Version 2.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In den 1 bis 4 ist, soweit im Einzelnen dargestellt, mit 1 allgemein eine Nockenwelle bezeichnet, die eine Grundwelle 2 und Schiebenockeneinheiten 3 aufweist. Die Grundwelle 2 hat eine durchgehende Außenverzahnung 4, die die Bereiche der Schiebenockeneinheiten 3 einschließlich ihrer Verschiebewege aufweist. Zwischen den Schiebenockeneinheiten 3 sind Ringe 5 eingebaut, die kraftschlüssig auf der Außenverzahnung 4 befestigt sind.
Wie 3 zu entnehmen ist, hat der Ring 5 einen kreiszylindrischen Innenmantel 6, der sich auf den Kopfkreisflächen 7 der Außenverzahnung 4 der Grundwelle 2 abstützt. Die Ringe 5 sind kraftschlüssig auf der Außenverzahnung 4 der Grundwelle 2 festgelegt.
In einer alternativen Ausgestaltung gemäß 4 weist der Ring 5 eine Innenverzahnung 8 auf, die trapezförmige Innenflanken 9 aufweist, die mit den Evolventen der als Zahnnabenprofil ausgebildeten Außenverzahnung 4 korrespondieren und mit diesen die kraftschlüssige Verbindung herstellen.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwelle
2: Grundwelle
3: Schiebenockeneinheiten
4: Außenverzahnung
5: Ringe
6: Innenmantel
7: Kopfkreisflächen
8: Innenverzahnung
9: trapezförmige Innenflanken

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10148243 A1 [0002]

Claims

Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einem Kurbeltrieb, mit zumindest einem Zylinderkopf, dessen Ein- und Auslasskanäle von zumindest je einem als Ein- und Auslassventil ausgebildeten Gaswechselventil beherrscht sind, die durch Nocken zumindest einer Nockenwelle und von diesen angetriebenen Übertragungselementen betätigbar sind, wobei die Nocken als Schiebenocken mit zumindest zwei Nocken pro Schiebenockeneinheit ausgebildet sind, die mittels Innenverzahnung auf einer Grundwelle mit Außenverzahnung drehfest aber axial verschiebbar angeordnet sind, mit zumindest einer Brennkraftmaschinenfesten Vorrichtung zur Verschiebung der Schiebenockeneinheit in unterschiedliche axiale Positionen mittels mit einem Aktorstift zusammenwirkenden Verschiebenuten am Umfang der Schiebenockeneinheit, und mit Lagern zur radialen und axialen Festlegung der Nockenwelle an einem Bauteil der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle (2) mittels Lagern an dem Bauteil der Brennkraftmaschine geführt ist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundwelle (2) Ringe (5) befestigt sind, die als Stützelemente für Lager ausgebildet sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle (2) eine die Bereiche der Schiebenockeneinheiten (3) und der Ringe (5) umfassende durchgehende Außenverzahnung (4) aufweist.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (5) auf der Außenverzahnung (4) der Grundwelle (2) befestigt sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle (2) ein Wellenprofil zur Drehverbindung mit den Schiebenockeneinheiten (3) und die Ringe (5) einen kreiszylindrischen Innenmantel (6) aufweisen und dass die Ringe (5) an den Kopfkreisflächen (7) des Wellenprofils kraftschlüssig festgelegt sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle (2) ein Zahnnabenprofil mit Evolventenverzahnung zur Drehverbindung mit den Schiebenockeneinheiten (3) aufweist, dass die Ringe (5) eine Innenverzahnung (8) mit trapezförmigen Flanken (9) aufweisen und dass die Ringe (5) kraftschlüssig an dem Zahnnabenprofil befestigt sind.
Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (5) als Innenringe von Wälzlagern, insbesondere Nadellagern, ausgeführt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mittels der folgenden Arbeitsschritte: a) Herstellen der Grundwelle (2) mit durchgehender Außenverzahnung (4), b) Herstellen der Schiebenockeneinheiten (3) und Vormontage derselben auf der Grundwelle (2), c) Fertigschleifen der Nockenkonturen der Nocken der Schiebenockeneinheiten (3), d) Demontage der Schiebenockeneinheiten (3) und Reinigen derselben und der Grundwelle (2) und e) Abwechselnde Montage der Schiebenockeneinheiten (3) und der kompletten Wälzlager einschließlich der Ringe (5), die auch als Lagerinnenringe dienen, auf der Grundwelle (2).
Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an den Arbeitsschritt d) der Arbeitschritt: f) Tiefkühlen der Grundwelle (2) oder Erhitzen der Ringe (5) und im Anschluss an den Arbeitsschritt e) der Arbeitsschritt: g) Angleichen der Temperaturen der Bauteile eingefügt werden.