-
Die Erfindung betrifft ein Nockenwellenrad gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur drehschwingungsgedämpften Übertragung einer Drehbewegung eines Übertragungswerks zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle. Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine mit einem Motorblock sowie einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle und einem mittels dieser betreibbaren Ventiltrieb, wobei eine drehschwingungsgedämpfte Drehbewegung zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle über ein Übertragungswerk, insbesondere mittels eines Rädertriebs oder Zahnriementriebs zwischen Kurbelwelle und Nockenwellenrad, und einem damit zusammenwirkenden Nockenwellenrad übertragbar ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Montage des Nockenwellenrades.
-
Ein als Stirnrad oder Zylinderrad ausgebildetes Nockenwellenrad hat üblicherweise eine zylindrische Kontur und sitzt auf einer Nockenwelle derart, dass dessen Zähne mit einer Zahnung eines Übertragungswerks ineinander greifen. Auf diese Weise kann eine Drehbewegung zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle, beispielsweise über ein Räderwerk oder über einen Zahnriemen, auf das Nockenwellenrad übertragen werden. Bei einer Brennkraftmaschine können beispielsweise zwei obenliegende Nockenwellen vorgesehen sein, wobei jeweils ein erstes und ein zweites Nockenwellenrad einer ersten und einer zweiten obenliegenden Nockenwelle zugeordnet ist. Ein Nockenwellenrad kann mit einer geeigneten Größe ausgelegt sein, um beispielsweise eine Drehzahl zu erhöhen und ein Drehmoment zu erniedrigen. Auf diese Weise kann eine Übersetzung von Kräften und Geschwindigkeiten in einer für den Ventiltrieb geeigneten Form realisiert werden. Beim Nockenwellenrad handelt es sich üblicherweise um ein Außenzahnrad. Die Paarung der Zahnung des Nockenwellenrades und der Zahnung des Übertragungswerkes, insbesondere eines Räderwerks und/oder eines Zahnriemens oder dergleichen, ist regelmäßig formschlüssig und sichert eine Übertragung einer Drehbewegung ohne Schlupf. Eine Form der Zähne ist dabei derart, dass am Berührungspunkt der Zähne an den Zahnflanken, eine möglichst reine Abrollbewegung erhalten bleibt, d. h. ein Gleiten der Zähne möglichst unterbunden ist. Ein Formschluss der Zahnung geht nicht verloren, wenn der nachfolgende Zahn bereits im Eingriff ist, bevor der Eingriff des vorgehenden Zahnes abbricht. Diese Vorgaben dienen grundsätzlich dazu, eine möglichst reibungslose Übertragung einer Drehbewegung zu gewährleisten, die damit auch vergleichsweise wartungsfrei ist. Problematisch in der Realität ist jedoch, dass beispielsweise aufgrund der Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle sowie angeschlossener Aggregate Drehschwingungen auftreten können, die unter Umständen zur Beschädigung weiterer Komponenten, insbesondere des Ventiltriebs, führen können. Die auftretenden Drehschwingungen können nicht gänzlich vermieden werden und es ist wünschenswert diese abzufangen.
-
Üblicherweise wird dazu das Übertragungswerk, insbesondere ein Räderwerk geeignet ausgelegt. So kann für einen Nebenantrieb ein Räderwerk gemäß
DE 38 04 575 C2 derart ausgelegt sein, dass negative Drehmomentanteile durch Überlagerung mit positiven Drehmomentanteilen der Nockenwelle eliminiert werden.
DE 41 06 441 C2 sieht eine vergleichsweise komplexe Kupplungsvorrichtung zwischen Nockenwellenrad und Nockenwelle in Abhängigkeit von Motorbetriebsbedingungen vor, die einer Ventilsteuereinrichtung zuträglich ist. Solche Maßnahmen erweisen sich als vergleichsweise beschränkt wirksam beziehungsweise sind recht aufwändig.
-
DE 10 326 002 A1 offenbart einen Stirnradantrieb für eine Brennkraftmaschine, wobei ein Zwischenrad eine Drehschwingungsentkopplung realisieren soll, welche steif genug ist, um die notwendige mittlere Antriebsleistung für einen Nebenaggregatantrieb zu übertragen. Das Zwischenrad des Nebenaggregatantriebs ist dabei als Doppelrad mit einem ersten Rad und einem zweiten Rad ausgeführt, wobei eine Spiralfeder eine Kraftübertragung von dem angetriebenen ersten Rad auf das abtreibende zweite Rad gewährleistet. Die Mechanik des Doppelrades ist derart ausgelegt, dass ein vorbestimmter Winkelbereich der relativen Verdrehung der beiden Räder zueinander zur Verfügung steht und gleichzeitig eine entsprechende Dauerfestigkeit erzielt wird. Dazu ist ein ringzylindrischer Federraum vorgesehen, da die Spiralfeder bei einer Torsionsbelastung ihren mittleren Durchmesser ändert.
-
Wünschenswert wäre es, die Dämpfung von Drehschwingungen auch in einem Nockenwellenrad sinnvoll realisieren zu können, wobei dies zusätzlich vergleichsweise vereinfacht ausgelegt sein sollte.
-
Ein Nockenwellenrad ist beispielsweise in
DE 19 621 460 C1 offenbart, das zur Übertragung von Drehbewegungen und zur Drehschwingungsdämpfung ein eine Arbeitskammer umschließendes Dämpfergehäuse mit daran befestigtem Verschlussdeckel aufweist, wobei das Dämpfergehäuse einstückig radial nach innen in einen Befestigungsbereich zur Verbindung mit einem zu dämpfenden Teil übergeht. Innerhalb des Dämpfergehäuses ist in einem viskosen Dämpfungsmedium eine Dämpfungsmasse angeordnet und in den radialen Außenumfang des Dämpfergehäuses ist eine Profilierung zur Übertragung der Drehbewegungen eingeformt. Dadurch wird eine vergleichsweise geringe Baugröße einer Schwingungsdämpfung einer Nockenwelle ohne Verstellvorrichtung ermöglicht. Diese Lösung erweist sich im Betrieb als vergleichsweise anfällig und ist noch verbesserbar.
-
In
DE 10 2010 034 278 A1 wird ein eingangsgenanntes Nockenwellenrad für eine Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten und der Ventilhubcharakteristik eines Ventiltriebes einer Brennkraftmaschine offenbart, wobei unter anderem eine Verstelleinrichtung an dem Ende der Nockenwelle, das das Nockenwellenrad aufnimmt, vorgesehen sein kann. Dabei ist das Nockenwellenrad mit einer Einrichtung versehen zum Ausgleich eines eventuell auftretenden Verzahnungsspiels. Zu diesem Zweck ist das Nockenwellenrad mit einer Querebene geteilt und nimmt an dieser Trennebene die Teile des Nockenwellenrades elastisch vorspannende Elemente auf. Dadurch werden die beiden Teile des Nockenwellenrades mit ihrer schräg laufenden Verzahnung gegen benachbarte Zahnflanken des Antriebsrades gedrückt, so dass ein auftretendes Spiel ausgeglichen ist.
-
Aufgabe der Erfindung es ist, ein Nockenwellenrad anzugeben, dass zur drehschwingungsgedämpften Übertragungen einer Drehbewegung zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle ausgebildet ist, wobei eine Dämpfung in einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten und gleichzeitig vereinfachten Weise realisiert ist. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung ein Nockenwellenrad mit einer Dämpfung zu versehen, die mit üblichen Komponenten realisierbar ist und möglichst verlässlich und vergleichsweise wartungsfrei in Betrieb einer Brennkraftmaschine funktioniert. Insbesondere sollte die Dämpfung einstellbar sein. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Montage des Nockenwellenrades anzugeben, das möglichst effektiv umgesetzt werden kann.
-
Die Aufgabe hinsichtlich des Nockenwellenrades wird durch ein Nockenwellenrad der Eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß auch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 vorgesehen sind. Die Aufgabe hinsichtlich der Brennkraftmaschine wird mit einer Brennkraftmaschine gemäß Anspruch 15 gelöst. Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens und der Montage des Nockenwellenrades wird mit einem Verfahren des Anspruchs 17 gelöst.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- – das Nockenwellenrad als Doppelrad ein Basisrad und ein am Basisrad ortsfest und mitdrehbar befestigtes Konterrad aufweist, wobei das Basisrad an einem ersten äußeren Umfangsbereich einen ersten Zahnkranz mit einer ersten Zahnung und das Konterrad an einem zweiten äußeren Umfangsbereich einen zweiten Zahnkranz mit einer zweiten Zahnung aufweist, wobei
- – die erste Zahnung und die zweite Zahnung einen gleichen äußersten Durchmesser zur Bildung einer gemeinsamen geteilten Lauffläche zur antriebsseitigen Übernahme der Drehbewegung haben, und
- – das Konterrad und das Basisrad unter Verformung einer elastischen Dämpfungsanordnung gegeneinander verdrehbar sind, wobei sich in entspanntem Zustand der elastischen Dämpfungsanordnung eine relative Umfangsphase der ersten Zahnung und der zweiten Zahnung einstellt.
-
Damit ist für eine Brennkraftmaschine erfindungsgemäß gewährleistet, dass sich beide Zahnflanken eines einander zugeordneten ersten und zweiten Zahns der ersten und zweiten Zahnung an eine Zahnung des Übertragungswerkes selbsttätig unter Vorspann-Wirkung der elastischen Dämpfungsanordnung anlegen, d. h. in Folge der von der elastischen Dämpfungsanordnung ausgeprägten Vorspannung, anlegen.
-
Das Verfahren zur Montage des Nockenwellenrades sieht erfindungsgemäß die Schritte des Anspruchs 17 vor. Dabei erfolgt ein selbsttätiges wenigstens teilweises Entspannen der elastischen Dämpfungsanordnung unter elastisch variablem Einstellen einer relativen Umfangsphase der ersten Zahnung und der zweiten Zahnung wobei sich die beiden gegenüberliegenden äußeren Zahnflanken eines einander zugeordneten ersten und zweiten Zahns der ersten und zweiten Zahnung an eine Zahnung eines Übertragungswerkes selbsttätig unter Vorspann-Wirkung der elastischen Dämpfungsanordnung anlegen.
-
Das Konzept der Erfindung nutzt somit den Vorteil, dass gegebenenfalls drehschwingungsbelastete Drehbewegungen vom vorgespannten Nockenwellenrad an der Lauffläche zum Übertragungswerk, insbesondere einem Rädertrieb oder einem Zahnriemen, gedämpft aufgenommen werden. Eine Drehschwingungsdämpfung erfolgt somit unmittelbar an der Nockenwelle und damit unter bestmöglichem Schutz des Ventiltriebs. Die unter Vorspannung und damit selbsttätig an eine Zahnung des Übertragungswerkes anliegende Zahnung des Nockenwellenrades wird im Effekt dadurch erreicht, dass die Zahnung des Konterrads und die Zahnung des Basisrads in Folge der vom elastischen Dämpfungsanordnung vorgegebenen Vorspannung variabel spreizbar ist, nämlich, um die relative Umfangsphase spreizbar ist. Die im Betrieb sich einstellende variable relative Umfangsphase ergibt sich somit aus einem Kräftegleichgewicht, der durch die elastische Dämpfungsanordnung vorgespannte Torsion des Konterrads zum Basisrad und der fluktuierenden Drehschwingungskraft. Eine praktisch maximale relative Umfangsphase der ersten Zahnung und der zweiten Zahnung wird im entspannten Zustand der elastischen Dämpfungsanordnung angenommen. Eine Verringerung dieser maximalen relativen Umfangsphase erfolgt somit im Betrieb, d. h. variabel unter Krafteinwirkung einer Drehschwingung durch Verringern der Spreizung zwischen der ersten Zahnung und der zweiten Zahnung. Somit erfolgt eine Dämpfung an der entlang eines äußeren Umfangs geteilten Lauffläche des Doppelrads, wobei die Drehschwingungsenergie von der elastischen Dämpfungsanordnung des Nockenwellenrades aufgenommen wird.
-
Das Konzept der Erfindung setzt in überraschend wirksamer Weise eine Laufflächendämpfung unmittelbar am Nockenwellenrad um, ohne dass ein Übertragungswerk, insbesondere Räderwerk oder Zahnriemen, verändert werden müsste. Die Dämpfung von Drehschwingungen, insbesondere aus einer Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle aber auch anderen Komponenten, insbesondere auch des Räderwerks, wird überraschend gut weggedämpft, sodass eine gleichförmige Drehbewegung durch das Nockenwellenrad an die Nockenwelle übergeben wird. Es zeigt sich, dass je nach Auslegung der Dämpfungsanordnung auch eine Schlag- oder Schockdämpfung sowie regelmäßige Dämpfungsamplituden gut realisiert wird.
-
Zur Montage kann dieserfinderisch dadurch erreicht werden, dass das Basisrad ein erstes Spannloch und das Konterrad ein zweites Spannloch aufweist, in die eine Exzenterschraube einbringbar ist. Mittels der Exzenterschraube kann die relative Phase der Zahnung des ersten und der Zahnung des zweiten Zahnkranzes unter elastischer Vorspannung der elastischen Dämpfungsanordnung besonders wirksam aufhebbar sein.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das Konzept der Erfindung im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
-
Insbesondere ist die Zahnung des ersten und die Zahnung des zweiten Zahnkranzes in elastisch-vorgespannten Zustand der elastischen Dämpfungsanordnung ohne relative Phase. Vorzugsweise ist die erste Zahnung und die zweite Zahnung in eine deckungsgleiche Stellung bringbar, d. h. die Zähne der ersten und zweiten Zahnung sind kongruent ausgeführt.
-
Es kann weiter vorteilhaft das Basisrad ein erstes Fixierloch und das Konterrad ein zweites Fixierloch aufweist, in das ein Fixierelement, insbesondere eine Fixierschraube, einbringbar ist. Mittels dem Fixierelement kann das Basisrad und das Konterrad unter verformter elastischer Dämpfungsanordnung derart fixierbar sein, dass die Zahnung des ersten und die Zahnung des zweiten Zahnkranzes in elastisch vorgespanntem Zustand der elastischen Dämpfungsanordnung ohne relative Phase sind.
-
Wird die Fixierschraube und/oder die Exzenterschraube entfernt oder wenigstens gelockert erfolgt ein selbsttätiges wenigstens teilweises Entspannen der elastischen Dämpfungsanordnung unter elastisch variablem Einstellen einer relativen Umfangsphase der ersten Zahnung und der zweiten Zahnung. Im eingebauten Zustand des Nockenwellenrades, insbesondere im Betrieb, eignet sich dieser Zustand dazu, dass sich eine erste und eine zweite gegenüberliegende äußere Zahnflanke eines einander zugeordneten ersten und zweiten Zahns der ersten und zweiten Zahnung an eine Zahnung eines Übertragungswerkes selbsttätig unter Vorspann-Wirkung der elastischen Dämpfungsanordnung anlegen.
-
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist das Basisrad und das Konterrad über ein Stehbolzen ortsfest mitdrehbar aneinander befestigt, wobei die Dämpfungsanordnung einen an den Stehbolzen angebrachtes Dämpfungselement umfasst. Vorzugsweise ist eine Anzahl von Stehbolzen vorgesehen und eine Anzahl von den Stehbolzen zugeordneten Dämpfungselementen. Beispielsweise kann ein Dämpfungselement aus einem elastischen Kunststoff an einem Stehbolzen in Kontakt mit dem Konterrad gebildet sein. Besonders Vorteilhaft kann das Dämpfungselement als ein O-Ring um den Stehbolzen gelegt sein. Die Darstellung des im eingesetzten Zustand verspannten Nockenwellenrades ist damit vergleichsweise einfach durch Standardkomponenten erreichbar. Es zeigt sich, dass keine Sonderbauteile erforderlich sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind auch wohl kyanisierte Gummielemente oder elastische Zwischenelemente grundsätzlich nicht notwendig, können jedoch gleichwohl statt eines O-Rings oder dergleichen am Stehbolzen als elastisches Dämpfungselement vorgesehen sein.
-
Im Rahmen einer weiteren besonders bevorzugten Weiterbildung durchsetzt ein Stehbolzen ein erstes Loch in dem Basisrad und ein zweites Loch in dem Konterrad. Bevorzugt ist ein erstes Loch und ein zweites Loch zur Aufnahme der Stehbolzen ausgebildet und weist einen Basisversatz auf, der im Wesentlichen der maximalen relativen Umfangsphase entsprechen kann bzw. diese im Wesentlichen vorgibt.
-
Anders ausgedrückt, sieht die Weiterbildung vor, dass ein elastisch in einem Loch gelagerter Stehbolzen in Folge des basisversetzten ersten und zweiten Lochs gegen das elastische Dämpfungselement gedrückt ist. Dadurch wird eine Torsionsvorspannung zwischen dem Konterrad und dem Basisrad aufgebaut. Diese ist variabel genug, um zu einer sich variabel einstellenden und damit dämpfenden Umfangsphase der ersten Zahnung und der zweiten Zahnung genutzt zu werden. Die Weiterbildung hat erkannt, dass die grundsätzliche Größenordnung von auftretenden Drehschwingungen bei der Übertragung einer Drehbewegung auf das Nockenwellenrad vom Übertragungswerk auf diese Weise eliminiert werden können, d. h. in eine Deformationsenergie der Dämpfungsanordnung umgewandelt werden können. Andererseits ist eine ausreichende Stabilität des Nockenwellenrades und Betriebssicherheit desselben gewährleistet, ohne dass dieses mit aufwändigen mechanischen oder konstruktiven Einzelheiten gestaltet werden müsste. Die Lösung erweist sich somit in dieser Weiterbildung als besonders zuverlässig und einfach.
-
Insbesondere hat sich die vorgenannte Weiterbildung als vorteilhaft erwiesen, um eine Vorspannung als auch eine maximale Amplitude der relativen Umfangsphase über die Parameter der elastischen Dämpfungsanordnung einstellen zu können. Dazu gehört unter anderem der Basisversatz eines ersten und eines zweiten Loches für einen Stehbolzen. Dazu gehört auch eine Shore-Härte des eingesetzten elastischen Kunststoffes beim Dämpfungselement und/oder die Anzahl von Stehbolzen und/oder die Anzahl von Dämpfungselementen. Diese und andere Maßnahmen können einzeln oder in Kombination genutzt werden, um die Dämpfungsanordnung voreinzustellen, insbesondere abzustimmen auf die Betriebsbedingungen des Nockenwellenrades in einer bestimmten Brennkraftmaschine. Je härter eine Shore-Härte des elastischen Kunststoffes und je höher die Anzahl der Dämpfungselemente ist, desto härter wird die Dämpfungseigenschaft des Nockenwellenrades an der Lauffläche der ersten und zweiten Zahnung sein. Je größer der Basisversatz des ersten und zweiten Loches eingestellt wird und je weicher ein Kunststoff des Dämpfungselements ist, desto weicher sind die Dämpfungseigenschaften, insbesondere, wenn eine vergleichsweise geringe Anzahl von Dämpfungselementen eingesetzt wird. Die Lauf- und Dämpfungseigenschaften eines so weitergebildeten Nockenwellenrades können nicht nur bedarfsmäßig angepasst werden, sondern lassen sich vergleichsweise einfach, beispielsweise nach Materialermüdung oder dergleichen, erneuert werden, ohne dass das Nockenwellenrad komplett ersetzt werden müsste.
-
Darüberhinaus lässt sich das Nockenwellenrad vergleichsweise einfach montieren. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zum Vorspannen des Basisrades und des Konterrades mittels einer Exzenterschraube gegeneinander verdreht werden und anschließend das Basisrad und das Konterrad in den verdrehten Zustand mittels einer Fixierschraube drehfest fixiert werden. Für den Betrieb wird bevorzugt nach dem Montieren des Nockenwellenrades auf der Nockenwelle die Fixierschraube und die Exzenterschraube entfernt. Damit kann sich eine für den Betrieb variable relative Umfangsphase der ersten Zahnung und der zweiten Zahnung unter Vorspannung einstellen.
-
Bevorzugt ist die vorgenannte weiterbildende Dämpfungsanordnung dazu geeignet, dass das Konterrad und das Basisrad über eine Einpassung des Nockenwellenrades zwischen einen Übertragungswert und der Nockenwelle elastisch zentrierbar sind. Letztlich kann dies dadurch erreicht werden, dass das Dämpfungselement an einem Stehbolzen die nötige Zentrieramplitude erlaubt.
-
Im Rahmen einer besonders bevorzugten konstruktiven realisierenden Weiterbildung, weist das Basisrad einen ersten Ringflansch auf, an dessen ersten äußeren Umfangsbereich der erste Zahnkranz gebildet ist und das Konterrad als zweiter Ringflansch ausgebildet ist, die am zweiten äußeren Umfangsbereich den zweiten Zahnkranz aufweist. Beispielsweise zur Darstellung der ersten und zweiten Löcher beziehungsweise eines Fixierlochs und eines Exzenterlochs weist der erste Ringflansch eine Anzahl erster Löcher und der zweite Ringflansch eine Anzahl zweiter Löcher auf, die entlang eines gemeinsamen Umfangsverlaufs verteilt sind.
-
Insbesondere gemäß der vorgenannten Maßgabe kann das Konterrad am Basisrad derart befestigt werden, dass wenigstens der erste und zweite äußere Umfangsbereich flächenparallel, insbesondere Deckungsgleich, ausgerichtet sind, wobei das Konterrad am Basisrad um eine gemeinsame Achse elastisch zentrierbar ist. So hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Konterrad zur Anbringung auf einer Nabe des Basisrades ausgebildet ist. Das Spiel zwischen Nabe und einem inneren Umfangsbereich eines Ringflansches des Konterrades kann das für eine Zentrierung erforderliche ausreichende Spiel ausweisen, wobei gleichwohl das Konterrad am inneren Umfangsbereich des Ringflansches sicher auf einem Außensitz der Nabe des Basisrades sitzt. Bevorzugt weist das Basisrad einen Ringflansch auf, der an einem ersten inneren Umfangsbereich eine Nabe zur Anbringung auf der Nockenwelle aufweist. Insbesondere weist die Nabe einen Außensitz zur Aufnahme des Konterrades auf, wobei das Konterrad als Ringflansch ausgebildet ist, die am zweiten inneren Umfangsbereich einen Sitzrand hat, der auf den Außensitz des Basisrades sitzt.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte Offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
-
1 eine perspektivische symbolische Darstellung einer Kurbelwelle mit Kolbentrieb sowie einer Nockenwelle mit Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine unter Darstellung zweier Nockenwellenräder in Eingriff mit einem Übertragungswerk;
-
2 eine bevorzugte Ausführungsform eines Nockenwellenrades, das gemäß den Konzept der Erfindung als Doppelrad ein Basisrad und ein Konterrad aufweist, die einen gleichen äußersten Durchmesser zur antriebsseitigen Übernahme einer Drehbewegung haben und unter Verformung einer elastischen Dämpfungsanordnung gegeneinander verdrehbar sind, nämlich zur Darstellung einer relativen Umfangsphase der ersten Zahnung und der zweiten Zahnung, die im Detail X der 2 dargestellt ist;
-
3 eine in Ansicht A entlang des Durchmessers des Nockenwellenrades ausgeführte Schnittansicht unter Darstellung der Dämpfungsanordnung beim Nockenwellenrad der 2, nämlich unter Darstellung der Stehbolzen in einem ersten Loch am Basisrad und einem zweiten Loch am Konterrad mit einem O-Ring aus elastischem Kunststoff am Stehbolzen, was in Ansicht B der 3 als Detail X näher dargestellt ist;
-
4 im Detail eine Exzenteranordnung zwischen Basisrad und Konterrad als Detail Y der 2;
-
5 eine detailierte Darstellung einer Fixieranordnung zwischen Basisrad und Konterrad als Detail Z der 2.
-
1 zeigt symbolisch eine Brennkraftmaschine 1000 in einer perspektivischen Prinzipdarstellung mit vorwiegend einem Motorblock 1001 an dem eine Kolbenanordnung 1100 über Kolbenstangen 1110 sowie eine Kurbelwelle 1120 angetrieben wird. Die Kurbelwelle 1120 liefert an einen Wellenzapfen 1121 mit geeigneter Zahnung 1122 eine gegebenenfalls drehschwingungsbelastete Drehbewegung an ein symbolisch dargestelltes Übertragungswerk 1200, dass ein geeignetes kurbelwellenseitiges Zahnungswerk 1210 sowie ein geeignetes nockenwellenseitiges Zahnungswerk 1220 aufweist. Das Übertragungswerk 1200 kann beispielsweise als nicht näher dargestelltes Räderwerk oder als Zahnriemen gebildet sein. Das nockenwellenseitige Zahnungswerk 1220 ist zum Eingriff in ein Zahnungswerk eines Ventiltriebes 1300 vorgesehen, der aus vorlegend zwei Nockenwellenrädern 1310, 1320 und zwei obenliegenden Nockenwellen 1330, 1340 gebildet ist, nämlich zum Antrieb einer Anzahl von Ventilen 1400 über die Nockenwellen 1330, 1340. Ein Nockenwellenrad 1310, 1320 ist üblicherweise in der hier dargestellten Weise als Stirnrad mit Außenzahnung gebildet, was auch für die nachfolgend, anhand von 2 bis 5, erläuterte, besonders bevorzugte Ausführungsform eines Nockenwellenrades 10 zutrifft. Das Nockenwellenrad 10, wie es perspektivisch in 2 Ansicht A gezeigt ist, kann gemäß dem Konzept der Erfindung zur Bildung einer besonderen Ausführungsform einer Brennkraftmaschine 1000 anstelle des in 1 gezeigten ersten oder zweiten Nockenwellenrades 1310, 1320 vorgesehen sein. Im Einzelnen zeigt 2 dazu ein Nockenwellenrad 10, dass zur drehschwingungsgedämpften Übertragung einer Drehbewegung mittels eines Übertragungswerks 1200 zwischen einer Kurbelwelle 1110 und einer Nockenwelle 1330, 1340 ausgebildet ist. Dazu ist das Nockenwellenrad 10 als Doppelrad ausgebildet und weist in dieser Ausführungsform ein Basisrad 1 und ein am Basisrad ortsfest und mitdrehbar befestigtes Konterrad 2 auf. Das Basisrad 1 weist an einem ersten äußeren Umfangsbereich U1 quasi auch in Ansicht P der 2 im Detail X angezeigt ist, einen ersten Zahnkranz 10 mit einer ersten Zahnung 11 einer regelmäßigen Abfolge von Zähnen auf, von denen ein vorderer Zahn 11V und ein hinterer Zahn 11H im Detail X näher dargestellt ist. Das Konterrad weist an einem zweiten äußeren Umfangsbereich U2, der auch im Detail X näher dargestellt ist, einen zweiten Zahnkranz 20 mit einer zweiten Zahnung 21 von regelmäßig aufeinander folgenden Zähnen auf, von denen ein vorderer Zahn 21V und eine hinterer Zahn 21H im Detail X näher dargestellt ist. Die erste Zahnung 11 und die zweite Zahnung 21 haben einen gleichen äußersten Durchmesser D zur antriebsseitigen Übernahme der vorgenannten Drehbewegung, wobei der Durchmesser D in 1 in Ansicht A und Ansicht B am äußersten Umfang U einer Lauffläche des Doppelrades gezeigt ist. Das Konterrad 2 und das Basisrad 1 sind unter Verformung einer elastischen Dämpfungsanordnung 30 gegeneinander verdrehbar, was durch die Pfeile P1, P2 in 1 Ansicht A und im Detail X symbolisch dargestellt ist. Das in Detail X zeigt dazu das Basisrad 10 und das Konterrad 20 mit einem Ausschnitt der ersten Zahnung 11 und der zweiten Zahnung 21 in einem entspannten Zustand der elastischen Dämpfungsanordnung 30. In diesem Zustand weist die erste Zahnung 11 zur zweiten Zahnung eine relative Umfangsphase Fi auf, die sich in dem in Detail X gezeigten unterschiedlichen Winkelstellung einer Spitze der in Detail X gezeigten Zähne 21V, 11V beziehungsweise 21H, 11H etabliert. Die relative Umfangsphase Fi ist in dem entspannten Zustand der elastischen Dämpfungsanordnung 30 maximal; insofern bezeichnet die relative Umfangsphase Fi im Detail X den maximalen Unterschied einer unterschiedlichen Winkelstellung von Basisrad 1 und Konterrad 2.
-
Gleichwohl ist die relative Umfangsphase der ersten und zweiten Zahnung 11, 21 variabel einstellbar, nämlich unter elastischer Verformung eines Ergänzungselements der Dämpfungsanordnung 30, wobei die relative Umfangsphase φ völlig aufhebbar ist – d. h. der Winkelgangunterschied der ersten und zweiten Zahnung 11, 21 ist auf Null setzbar – indem die Dämpfungsanordnung 30 elastisch vorgespannt wird. In dem Zustand sind also die Zähne 21V, 11V und die Zähne 21H, 11H deckungsgleich, d. h. die Zahnung 11, 21 sind in vorgespannten Zustand der elastischen Dämpfungsanordnung 30 deckungsgleich und ohne relative Umfangsphase φ = 0.
-
Anders ausgedrückt, kann sich die relative Umfangsphase φ selbsttätig unterwenigstens teilweise entspannen der elastischen Dämpfungsanordnung 30 einstellen. Dies führt dazu, dass im eingebauten Zustand des Nockenwellenrades 100 sich die beiden gegenüberliegenden äußeren Zahnflanken 21.1 der einander dazu geordneten ersten und zweiten Zähne 21V, 11V der ersten und zweiten Zahnung 11, 21 an eine Zahnung des Übertragungswerkes 1200 selbsttätig unter Vorspannwirkung der elastischen Dämpfungsanordnung anlegt. Genauso werden sich die beiden gegenüberliegenden äußeren Zahnflanken 21.1H und 11.2H der einander zugeordneten Zähne 21H, 11H an eine Zahnung 1220 des Übertragungswerks 1200 selbsttätig unter Vorspannwirkung der elastischen Dämpfungsanordnung 30 anlegen.
-
3 zeigt in Ansicht A einen Schnitt entlang des Durchmessers D für das Nockenwellenrad 100 aus dem im Einzelnen der konstruktive Aufbau des Basisrades 1 und des Konterrades 2 sowie der Dämpfungsanordnung 30 ersichtlich ist, deren Details auch im Detail X der Ansicht B der 3 im Einzelnen gezeigt ist. Das Basisrad 1 und das Konterrad 2 sind über eine Anzahl von Stehbolzen 31 ortsfest und mitdrehbar aneinander befestigt. Zur Bildung der Dämpfungsanordnung 30 weist jeder der Stehbolzen 31 einen daran angebrachtes Dämpfungselement 32, nämlich vorliegend in Form eines O-Rings aus elastischem Kunststoffmaterial bestimmter Shore-Härte, der in einer Ringnut des Stehbolzens eingebracht ist und am Konterrad 2 anliegend über den Stehbolzen 31 hinausragt.
-
Der O-Ring liegt dazu an einer Innenseite eines zweiten Lochs 42 im Konterrad an. Im Übrigen erstreckt sich der Stehbolzen 31 durch das erste Loch 42 im Konterrad und ein erstes Loch 41 im Basisrad 1. Die ersten und zweiten Löcher 41, 42 sind entlang eines aus 1 Ansicht A ersichtlichen gemeinsamen Umfangsverlaufs 40 verteilt. Grundsätzlich sind die Abstände der ersten Löcher zueinander, als auch die Abstände der zweiten Löcher zueinander zur Anordnung einer gleichmäßig beabstandeten Anzahl von Stehbolzen entlang des Umfangsverlaufs 40 regelmäßig beabstandet. Jede der Stehbolzen 31 kann über ein Gewinde 34 im ersten Loch des Basisrades 1 festgehalten sein und drückt bei einem gewissen Anzugsmoment mit einem Motorkopf 35 das Konterrad 2 flächig an das Basisrad 1. Vorwiegend sind darüber das Konterrad 2 und das Basisrad 1 derart aneinander befestigt, dass wenigstens der erste und zweite äußere Umfangsbereich U1, U2 flächenparallel ausgerichtet sind, wobei das Konterrad 2 am Basisrad 1 um eine gemeinsame Achse A elastisch zentriert ist, nämlich unter geeigneter Ausrichtung der Stehbolzen 31 in den Löchern 41, 42 und geringfügiger elastischer Verformung der Dämpfungselemente 32 in Form der O-Ringe.
-
Der grundsätzliche Aufbau eines Basis- und Konterrades 1, 2 ist aus Ansicht A der 3 ersichtlich. Das Basisrad 1 weist einen ersten Ringflansch 50 auf, an dessen ersten äußeren Umfangsbereich U1 der vorgenannte erste Zahnkranz 11 gebildet ist. Zur abtriebsseitigen Weitergabe der Drehbewegung setzt sich der Ringflansch zu einem inneren Radius hin in einer Nabe 51 fort, die zur Anbringung auf der Nockenwelle dient. Konkret weist die Nabe 51 einen Innensitz 52 zur Aufnahme einer Nockenwelle auf. Die Nabe 51 weist auch einen der Aufnahmeseite für die Nockenwelle gegenüberliegenden Außensitz 53 auf. Der Außensitz 53 dient zur Aufnahme des Konterrades 2, dass im Wesentlichen als Ringflansch 60 ausgebildet ist. Der Ringflansch 60 weist an einem vorgenannten äußeren Umfangsbereich U2 den vorgenannten Zahnkranz 21 auf. An einem zweiten inneren Umfangsbereich hat der Ringflansch 60 einen Sitzrand 61, der auf dem Außensitz 53 der Nabe 51 des Basisrades 1 sitzt.
-
Der Innensitz 52 der Nabe 51 verjüngt sich konisch von einer Aufnahmeseite für die Nockenwelle zu einer Seite an der der Außensitz zur Aufnahme des Konterrades 2 angebracht ist. Der Sitzrand 61 des zweiten Ringflansches 60 geht in einer Rundung in einen flächigen Anlagebereich 62 über, der vergleichsweise eng und drehbar an einem flächenparallelen Ringflanschbereich 54 des Basisrades anliegt. Vorwiegend liegt also das gesamte Konterrad 2 im Ringflanschbereich 62 und im äußeren Umfangsbereich U2 praktisch flächenparallel am Basisrad 1 an. Der äußere Umfangsbereich U2 des Konterrades ist dabei zurückgesetzt gegenüber einer Frontfläche des Ringflansches 60, so dass das Konterrad 2 im Übergang zwischen Ringflanschbereich 62 und Umfangsbereich U2 ringförmig profiliert ist. Eine ähnliche ringförmige Profilierung weist das Basisrad 1 in einem Übergang vom Ringflansch 50 zu einem Umfangsverlauf 40 mit den vorgenannten ersten und zweiten Löchern 41, 42 auf. Eine innere zurückgesetzte Profilierung 55 des Basisrades 1 in Kombination mit einer zweiten zurücksetzenden Profilierung 65 des Konterrades 2 führt zu einem Bereich um den Umfangsverlauf 40 herum, der als Lochbereich LB in Ansicht A der 3 symbolisch eingezeichnet ist und zur Aufnahme der Stehbolzen 31 dient. In dem Lochbereich LB zwischen der ersten und der zweiten Ringprofilierung 55, 65 steht ein ausreichender Platz zur Verfügung um die Dämpfungsanordnung 30 um den Stehbolzen 31 anzubringen. Dieser Bereich LB um den Umfangsverlauf 40 herum, ist in 4 und 5 im Einzelnen gezeigt, in einer Schnittansicht unter Darstellung der Details Y und Z der 2.
-
4 zeigt einen Radialschnitt des Lochbereichs LB an der Exzenterschraube 70 die mit einem Innensechskant ausgeführt ist und unrund an der Außenseite ist. Die Exzenterschraube 70 ist mittels eines Gewindes in einem ersten Spannloch 71 des Basisrades und mit ihrem Kopf eingelassen in einem zweiten Spannloch 72 des Konterrades. Durch Drehen der Exzenterschraube ist das Konterrad 2 begrenzt gegen das Basisrad 1 verdrehbar und zwar unter Verformung des O-Ringes an einem Stehbolzen 31; dadurch wird eine relative Umfangsphase φ, nämlich einen Winkelgangunterschied zwischen den Spitzen zweier Zähne 21V, 11V beziehungsweise 21H, 11H einstellbar. Auf diese Weise lässt sich das Konterrad 2 gegen das Basisrad 1 elastisch vorspannen unter Verformung der elastischen Dämpfungselemente 32 in Form der O-Ringe an den Stehbolzen 31. Zur Montage lässt sich die Exzenterschraube 70 soweit drehen, dass unter Vorspannen der elastischen Dämpfungsanordnung 30 verformt wird, bis die Zahnung des ersten Zahnkranzes 11 und die Zahnung des zweiten Zahnkranzes ohne relative Phase, d. h. mit φ = 0 deckungsgleich gestellt sind.
-
Ein Diametral gegenüberliegendes Fixierloch des Details Z der 2 hat, wie in 5 gezeigt, ein erstes Fixierloch 81 und ein zweites Fixierloch 82 im Basisrad 1 beziehungsweise Konterrad 2. Das erste Fixierloch 81 ist mit einem Gewinde versehen, so dass eine Fixierschraube 80 zum Feststellen des vorgespannten Zustands zwischen Basisrad 1 und Konterrad 2 eindringbar ist.
-
Somit lässt sich das als Doppelrad ausgebildete Nockenwellenrad 100 mit deckungsgleicher erster und zweiter Zahnung 11, 21 im elastisch vorgespannten Zustand des elastischen Dämpfungselements 32 (d. h. φ = 0) auf einer Nockenwelle montieren.
-
Bei der Montage kann unter Einpassen des Konterrades 2 und des Basisrades 1 zwischen einem Übertragungswerk 1200, insbesondere einem Rädertrieb oder einem Zahnriementrieb und der Nockenwelle 1330 oder 1340 elastisch zentriert werden unter radialer geringfügiger Verformung der O-Ringe am Stehbolzen 31.
-
In dem so montierten Zustand kann anschließend jedenfalls die Fixierschraube 80 entfernt werden. Vorteilhaft wird auch die Exzenterschraube 70 entfernt. Alternativ kann die Exzenterschraube 70 im ersten und zweiten Spannloch 71, 72 verbleiben – die ist jedoch frei drehbar, so dass eine variable tordierte Stellung des Basisrades 1 zum Konterrad 2 möglich wird unter variabler Einstellung einer relativen Umfangsphase φ.
-
Eine variable relative Umfangsphase φ, d. h. eine unterschiedliche Winkelstellung von Spitzen aneinander zu geordneter Zähne 21V, 11V oder 21H, 11H ergibt sich dadurch, dass eine erste äußere Flanke 21.1V des Zahnpaares 21V, 11V und eine zweite gegenüberliegende äußere Flanke 11.2V des Zahnpaares 21V, 11V – analog die Zahnflanken 21.1H, 11.2H genau in eine Zahnung 1220 des Übertragungswerks 1200 anpassen, nämlich unter Vorspannungskraft, die durch das elastische Dämpfungselement 32 aufgebracht ist; entstehen tut diese aufgrund des Basisversatzes des ersten und zweiten Lochs 41, 42, wobei der Basissatz mit dem eingebrachten Stehbolzen 31 unter Verformung des Dämpfungselements 33 kompensiert wird.
-
Diese Vorspannkraft ist durch eine variable fluktuierende Drehschwingung an der Zahnung 1220 des Übertragungswerks entgegengerichtet und kann diese in gewissen Bereichen kompensieren, d. h. elastisch aufnehmen. Insgesamt ergibt dies eine Paarung des Nockenwellenrades 100 zum gezahnten Übertragungswerk 1200, wobei ein in einander greifendes Abrollen der Verzahnung 1220 des Übertragungswerks 1200 auf einer geteilten Zahnung, nämlich der Zahnung 11 und der Zahnung 21 des Doppelrades durch das elastische Dämpfungselement 32 abgefedert und damit gedämpft ist. Insgesamt ergibt sich eine aus 2B ersichtliche Spreizung voneinander zugeordneten Zähnen 21V, 11V oder 21H, 11H zu einer summierten Zahnbreite ZB zwischen den gegenüberliegenden Flanken 21.1V, 11.2V oder 21.1H, 11.2H, wobei jedoch ein Anteil DZB der Spreizung unter Vorspannung variabel ist, nämlich je nachdem welche Kraft und Amplitude die Drehschwingung gegen die Lauffläche an einem Zahnpaar 21V, 11V, 21H, 11H anbringt. Insgesamt kann man von einem Vorspannwiderstand elastisch verschmälerbaren Flankenabstand eines Zahnpaares reden, dessen maximale Breite ZB in etwa einer summierten Breite eines Zahnes plus der relativen Umfangsphase im entspannten Zustand des Dämpfungselements 31 entspricht und dessen minimale Breite in etwa der Zahnbreite entspricht. Insgesamt wird somit ein als Doppelrad ausgeführtes Nockenwellenrad zur Verfügung gestellt, dessen Zahnbreiten elastisch verringerbar und vergrößerbar sind, in den Bereichen ZB und ZB plus DZB. Eine Dämpfung von Drehschwingungen an der Lauffläche des Nockenwellenrades 100 erweist sich als vergleichsweise einfach und besonders effektiv, da sie unmittelbar den Ventiltrieb vor schädlichen Drehschwingungen schützt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Basisrad
- 2
- Konterrad Umfangsphase
- 100
- Nockenwellenrad
- 10
- erster Zahnkranz
- 11
- erste Zahnung
- 11V, 21V
- vorderer Zahn
- 11H, 21H
- hinterer Zahn
- 11.2V, 11.2H
- hintere Zahnflanke
- 20
- zweiter Zahnkranz
- 21
- zweite Zahnung
- 21.1V, 21.1H
- vordere Zahnflanke
- 30
- Dämpfungsanordnung
- 31
- Stehbolzen
- 31
- Dämpfungselement
- 32
- Dämpfungselement
- 33
- Ringnut
- 34
- Gewinde
- 35
- Mutterkopf
- 40
- Umfangsverlauf
- 41
- erstes Loch
- 42
- zweites Loch
- 50
- Ringflansch
- 51
- Nabe
- 52
- Innensitz
- 53
- Außensitz
- 54
- flächenparalleler Ringflanschbereich
- 55
- erste Profilierung
- 60
- Ringflansch
- 61
- Sitzrand
- 62
- Anlagebereich
- 62
- Ringflanschbereich
- 65
- zweite Profilierung
- 70
- Exzenterschraube
- 71
- erstes Spannloch
- 72
- zweites Spannloch
- 80
- Fixierschraube
- 81
- erstes Fixierloch
- 82
- zweites Fixierloch
- 100
- Nockenwellenrad
- 1000
- Brennkraftmaschine
- 1001
- Motorblock
- 1100
- Kolbenanordnung
- 1110
- Kolbenstangen
- 1120
- Kurbelwelle
- 1121
- Wellenzapfen
- 1122
- Wellenzahnung
- 1200
- Übertragungswerk
- 1210
- Zahnungswerk
- 1220
- Zahnung
- 1220
- nockenwellenseitiges Zahnungswerk
- 1300
- Ventilbetrieb
- 1310, 1320
- Nockenwellenrädern
- 1330, 1340
- Nockenwelle
- 1400
- Ventil
- A
- Achse
- U1, U2
- Umfangsbereich
- D
- Durchmesser
- LB
- Lochbereich
- ZB
- Zahnbreite
- DZB
- Dreh-Zahnbreite
- S1, S2
- Winkelstellung
