DE102012212240A1

DE102012212240A1 - Nockenwelle eines hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012212240A1
Application number: DE201210212240
Authority: DE
Inventors: Markus POPP; Andreas Nendel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-07-12
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2014-01-16

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Nockenwelle für einen Gaswechselventiltrieb (1) einer Brennkraftmaschine, umfassend eine außenverzahnte Trägerwelle (2) und ein mehrteiliges innenverzahntes Nockenstück (3), das mittels der Verzahnung drehfest und axialverschiebbar auf der Trägerwelle gelagert ist und zumindest eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken (4) zur hubvariablen Gaswechselventilbetätigung und eine Axialkulisse aufweist, in die zwecks der Verschiebung des Nockenstücks ein Betätigungsstift (9) einkoppelbar ist. Das Nockenstück soll aus einem mit der Nockengruppe versehenen Nockenrohr (23) mit einer Aussparung (24) und einer darin eingepassten offenen Schale (19) zusammengesetzt sein, wobei die Axialkulisse auf dem Schalenäußeren verläuft und das Schaleninnere eine die ausgesparte Innenverzahnung (25) des Nockenrohrs ergänzende Innenverzahnung (26) aufweist, die mit der Außenverzahnung (35) der Trägerwelle verzahnt ist und die Schale radial formschlüssig mit der Trägerwelle verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwelle für einen Gaswechselventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Die Nockenwelle umfasst eine außenverzahnte Trägerwelle und ein innenverzahntes Nockenstück, das mittels der Verzahnung drehfest und axialverschiebbar auf der Trägerwelle gelagert ist und zumindest eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken mit unterschiedlichen Erhebungen zur hubvariablen Gaswechselventilbetätigung und eine Axialkulisse aufweist, in die zwecks der Verschiebung des Nockenstücks ein Betätigungsstift einkoppelbar ist. Das Nockenstück ist aus mehreren Teilen zusammengesetzt.
Hintergrund der Erfindung
Eine derartige Nockenwelle mit einem mehrteiligen oder sogenannten gebauten Nockenstück ist aus der DE 10 2010 004 591 A1 und der DE 10 2009 022 657 A1 bekannt. Die das Nockenstück bildenden Einzelteile sind dort auf einem innenverzahnten Trägerrohr aufgepresst bzw. von einem innenverzahnten Trägerrohr aus Kunststoff umspritzt. Ein wesentlicher Vorteil solcher gebauter Nockenstücke besteht darin, den Werkstoff jedes Einzelteils unter Berücksichtigung von dessen spezifischer Funktion auswählen zu können. Wesentliche Zielgrößen dabei sind die geringe Masse des Nockenstücks und dessen kostengünstige Herstellbarkeit in der Großserie.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Ausgestaltung einer Nockenwelle mit einem gebauten Nockenstück der eingangs genannten Art anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das Nockenstück aus einem mit der Nockengruppe versehenen Nockenrohr mit einer Aussparung und einer axial in der Aussparung eingepassten offenen Schale zusammengesetzt ist, wobei die Axialkulisse auf dem Schalenäußeren verläuft und das Schaleninnere eine die ausgesparte Innenverzahnung des Nockenrohrs ergänzende Innenverzahnung aufweist, die mit der Außenverzahnung der Trägerwelle verzahnt ist und die Schale radial formschlüssig mit der Trägerwelle verbindet.
Ein wesentlicher Vorteil dieser konstruktiven Ausgestaltung besteht darin, dass das Nockenrohr in einer Aufspannung herstellbar ist, wobei alle äußeren Funktionsflächen durch Unrundschleifen / Nockenschleifen erzeugt werden. Die geringe Masse des Nockenstücks resultiert aus der Aussparung im Nockenrohr, in welche die mittels der ineinander greifenden Verzahnung mit der Trägerwelle formschlüssig verbundene Schale eingepasst ist. Die unmittelbare Verbindung der Axialkulisse mit der Trägerwelle bewirkt, dass gegenüber bekannten gebauten Nockenstücken im Bereich der Axialkulisse eine Wandstärke eingespart wird. Eine weitere Massenreduzierung ist insbesondere dadurch erzielbar, dass die Schale aus einem Leichtbauwerkstoff wie Aluminium besteht. Aufgrund des relativ kleinen E-Moduls von Aluminium wird bei der Axialverschiebung des Nockenstücks die gegenüber Stahl geringere Werkstofffestigkeit durch geringere Hertzsche Pressungen im hoch belasteten Kontakt der Axialkulisse mit dem Betätigungsstift kompensiert. Erforderlichenfalls kann die Axialkulisse mit einer Verschleißschutzschicht versehen sein.
Im Hinblick auf die kostengünstige Herstellbarkeit soll die Schale ein entweder endkonturnahes oder ein nachbearbeitungsfreies Urformteil und insbesondere ein Druckguss- oder Feingussteil sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Nockenwelle dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt eines bekannten Gaswechselventiltriebs einer Brennkraftmaschine in Seitenansicht;
2 einen Abschnitt der erfindungsgemäßen Nockenwelle in perspektivischer Darstellung;
3 eine Montagesequenz des Nockenwellenabschnitts gemäß 2;
4 den Nockenwellenabschnitt gemäß 2 im Querschnitt;
5 eine zweiteilig ausgebildete Schale in perspektivischer Darstellung;
6 das erste Teil der Schale gemäß 5;
7 das zweite Teil der Schale gemäß 5.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen bekannten hubvariablen Gaswechselventiltrieb 1 einer Brennkraftmaschine, dessen grundlegendes Funktionsprinzip sich dahingehend zusammenfassen lässt, dass eine konventionell starr ausgebildete Nockenwelle durch eine außenverzahnte Trägerwelle 2 und darauf mittels Innenverzahnung drehfest und axialverschiebbar gelagerte Nockenstücke 3’ ersetzt ist. Jedes Nockenstück weist zwei Gruppen axial unmittelbar benachbarter Nocken 4a und 4b auf, deren unterschiedliche Hubverläufe mittels Schlepphebeln 5 auf die Gaswechselventile 6 übertragen werden. Die zur betriebspunktabhängigen Aktivierung des jeweiligen Nockens 4a oder 4b erforderliche Verschiebung des Nockenstücks 3’ auf der Trägerwelle 2 erfolgt über nutförmige Kulissenbahnen 7’ und 8’ am Nockenstück, die sich entsprechend der Verschieberichtung in ihrer Orientierung unterscheiden und in die, je nach momentaner Stellung des Nockenstücks, jeweils ein Betätigungsstift 9 eines Aktuators (nicht dargestellt) eingekoppelt wird.
Die 2 bis 4 zeigen Abschnitte erfindungsgemäßer Nockenwellen mit dem Nockenstück 3 und dem zugehörigen Abschnitt der das Nockenstück lagernden Trägerwelle 2 im Zusammenbau bzw. in einer Montagesequenz. Das Nockenstück 3 unterscheidet sich von dem bekannten Nockenstück 3’ gemäß 1 durch die nutförmige Axialkulisse, die hier zwischen den Nockengruppen angeordnet ist und zwei sich kreuzende Kulissenbahnen 7 und 8 zur Verschiebung des Nockenstücks in beide Axialrichtungen aufweist. Zur Zwangsführung des Betätigungsstifts 9 (siehe 1) dient ein federndes Führungsteil 10, das im Kreuzungsbereich der Kulissenbahnen wie eine Weiche zwischen den Kulissenbahnen umschaltet und den Betätigungsstift über den Kreuzungsbereich hinaus zwangsführt.
Die Funktionsweise des Führungsteils 10 ist in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2012 210 212 A1 ausführlich beschrieben und daher an dieser Stelle nur kurz erläutert. Die beiden Kulissenbahnen 7, 8 sind durch axial starre Nutaußenwände 11 bis 14 und axial bewegliche Nutinnenwände 15 bis 18 vorgegeben, wobei die starren Nutaußenwände auf einer Schale 19 ausgebildet sind und wobei die beweglichen Nutinnenwände durch zwei Federzungen 20 und 21 des Führungsteils 10 gebildet sind. Die beiden Federzungen sind im Kreuzungsbereich der Kulissenbahnen voneinander getrennt und können dort axial entgegengesetzt ausgelenkt werden, wobei ein die Federzungen koppelndes Drehgelenkstück 22 die entgegengesetzte Auslenkung erzwingt. Falls nun der Betätigungsstift 9 relativ zu der einen Kulissenbahn 7 gemäß der in 2 eingezeichneten Drehrichtung der Trägerwelle 2 verfährt und den Kreuzungsbereich erreicht, dann wird – in Draufsicht auf den Kreuzungsbereich – die Federzunge 20 nach links verdrängt, wobei sich das Drehgelenkstück 22 im Uhrzeigersinn verdreht und die andere Federzunge 21 nach rechts auslenkt. Die Nutinnenwand 16 der Federzunge 21 steht nun in Verlängerung der Nutaußenwand 11, so dass zum einen ab dem Kreuzungsbereich die Kulissenbahn 8 für den Betätigungsstift 9 gesperrt ist und zum anderen der Betätigungsstift entlang der gesamten Kulissenbahn 7 zwangsgeführt ist. Die Umschaltung des Führungsteils 10 erfolgt bei der entgegen gesetzten Axialverschiebung des Nockenstücks 3 spiegelsymmetrisch, so dass die eine Federzunge 20 von links nach rechts verdrängt wird, während die andere Federzunge 21 von rechts nach links klappt. In diesem Fall steht die rechts nach links klappt. In diesem Fall steht die Nutinnenwand 18 der Federzunge 21 in Verlängerung der Nutaußenwand 13, so dass zum einen ab dem Kreuzungsbereich die Kulissenbahn 7 für den Betätigungsstift 9 gesperrt ist und zum anderen der Betätigungsstift entlang der gesamten Kulissenbahn 8 zwangsgeführt ist.
Das Nockenstück 3 unterscheidet sich von dem bekannten Nockenstück 3’ gemäß 1 weiterhin dadurch, dass es nicht aus einem einzigen Rohling hergestellt, sondern aus mehreren Einzelteilen zusammen gesetzt, d.h. gebaut ist. Es umfasst ein innenverzahntes Nockenrohr 23, auf dem zwei Nockengruppen mit jeweils drei unmittelbar benachbarten Nocken 4a bis 4c unterschiedlicher Erhebungen aufgeschliffen sind. Das Nockenrohr ist zwischen den Nockengruppen bis auf einen halbkreisförmigen Restquerschnitt ausgespart, wobei die Schale 19 mit dem Führungsteil 10 und dem Drehgelenkstück 22 als vormontierte Unterbaugruppe in die Aussparung 24 eingesetzt wird. Die Schale ist offen ausgebildet, wobei die Axialkulisse mit den Kulissenbahnen 7, 8 auf dem Schalenäußeren verläuft und das Schaleninnere eine die ausgesparte Innenverzahnung 25 des Nockenrohrs 23 – hier vollständig – ergänzende Innenverzahnung 26 aufweist. Die Stirnflächen 27 der Schale 19 sind axial im wesentlichen spielfrei zwischen den Stirnflächen 28 der Aussparung 24 eingepasst. Das Schaleninnere besteht geometrisch aus einem Halbzylinder mit der Innenverzahnung 26 und sich tangential an dessen Enden anschließenden Parallelflachs 29 und 30, die zwei Anflachungen 31 und 32 auf dem Nockenrohr 23 ebenso spielfrei umgreifen. Der in 4 dargestellte Querschnitt durch die Nockenwelle entlang des Führungsteils 10 verdeutlicht, dass die Parallelflachs 29, 30 und die Anflachungen 31, 32 im Umfangsbereich der Axialkulisse 7, 8 stufenfrei aneinander anschließen.
Wie die Schale 19 selbst weist auch das in einer Aussparung 33 der Schale eingesetzte Führungsteil 10 eine die dort ausgesparte Innenverzahnung 26 des Schaleninneren – hier ebenfalls vollständig – ergänzende Innenverzahnung 34 auf. Die außenverzahnte Trägerwelle 2 wird in das so vormontierte Nockenstück eingeschoben, wobei die Innenverzahnungen 26 und 34 mit der darin eingreifenden Außenverzahnung 35 eine radial formschlüssige Verbindung der Schale und des Führungsteils mit der Trägerwelle herstellen. Das bedeutet, dass die Schale lediglich mittels Formschluss auf der Nockenwelle gehaltert ist, und zwar in axialer Richtung an den Stirnflächen 28 der Aussparung 24 und in radialer Richtung durch die ineinander greifende Verzahnung 26 und 35. Dasselbe gilt für das Führungsteil 10, das in axialer Richtung in der Aussparung 33 der Schale und in radialer Richtung durch die Verzahnung 34 und 35 gehaltert ist.
Das Komponenten des Nockenstücks 3 sind aus einem funktions- und beanspruchungsgerechten Werkstoffmix hergestellt, wobei das Nockenrohr 23 ein spanend bearbeitetes Stahlteil ist und die Schale 19 ein endkonturnahes Aluminiumdruckgussteil ist. Im Hinblick auf einen hinterschnittsfreien, vereinfachten Gießprozess kann alternativ eine zweiteilige Schale 19 gemäß den 5 bis 7 vorgesehen sein. Wie bei der einteiligen Schale ist die Aussparung 33 ein Querschlitz, wobei die Trennebene 36 der beiden Schalenteile 19a und 19b symmetrisch zum Querschlitz verläuft. Die Entformungsrichtung des Gusswerkzeugs verläuft senkrecht dazu, nämlich in Längsrichtung der Verzahnung 26.
Bezugszeichenliste

1: Ventiltrieb
2: Trägerwelle
3: Nockenstück
4: Nocken
5: Schlepphebel
6: Gaswechselventil
7: Kulissenbahn
8: Kulissenbahn
9: Betätigungsstift
10: Führungsteil
11: Nutaußenwand
12: Nutaußenwand
13: Nutaußenwand
14: Nutaußenwand
15: Nutinnenwand
16: Nutinnenwand
17: Nutinnenwand
18: Nutinnenwand
19: Schale
20: Federzunge
21: Federzunge
22: Drehgelenkstück
23: Nockenrohr
24: Aussparung im Nockenrohr
25: Innenverzahnung des Nockenrohrs
26: Innenverzahnung der Schale
27: Stirnfläche der Schale
28: Stirnfläche der Aussparung im Nockenrohr
29: Parallelflach der Schale
30: Parallelflach der Schale
31: Anflachung am Nockenrohr
32: Anflachung am Nockenrohr
33: Aussparung in der Schale
34: Innenverzahnung des Führungsteils
35: Außenverzahnung der Trägerwelle
36: Trennebene der zweiteiligen Schale

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010004591 A1 [0002]
DE 102009022657 A1 [0002]
DE 102012210212 A1 [0017]

Claims

Nockenwelle für einen Gaswechselventiltrieb (1) einer Brennkraftmaschine, umfassend eine außenverzahnte Trägerwelle (2) und ein aus mehreren Teilen zusammengesetztes, innenverzahntes Nockenstück (3), das mittels der Verzahnung drehfest und axialverschiebbar auf der Trägerwelle (2) gelagert ist und zumindest eine Nockengruppe unmittelbar benachbarter Nocken (4) mit unterschiedlichen Erhebungen zur hubvariablen Gaswechselventilbetätigung und eine Axialkulisse aufweist, in die zwecks der Verschiebung des Nockenstücks (3) ein Betätigungsstift (9) einkoppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Nockenstück (3) aus einem mit der Nockengruppe versehenen Nockenrohr (23) mit einer Aussparung (24) und einer axial in der Aussparung (24) eingepassten offenen Schale (19) zusammengesetzt ist, wobei die Axialkulisse auf dem Schalenäußeren verläuft und das Schaleninnere eine die ausgesparte Innenverzahnung (25) des Nockenrohrs (23) ergänzende Innenverzahnung (26) aufweist, die mit der Außenverzahnung (35) der Trägerwelle (2) verzahnt ist und die Schale (19) radial formschlüssig mit der Trägerwelle (2) verbindet.
Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialkulisse nutförmig ausgebildet ist und zwei sich kreuzende Kulissenbahnen (7, 8) zur Verschiebung des Nockenstücks (3) in beide Axialrichtungen aufweist, wobei die Kulissenbahnen (7, 8) durch axial starre Nutaußenwände (11 bis 14) auf der Schale (19) und axial bewegliche Nutinnenwände (15 bis 18) auf einem federnden Führungsteil (10) vorgegeben sind, das nach Art einer Weiche im Kreuzungsbereich der Kulissenbahnen (7, 8) zwischen diesen umschaltet, so dass für den Betätigungsstift (9) eine der Kulissenbahnen (7, 8) freigegeben und die andere Kulissenbahn (8, 7) gesperrt ist, wobei das Führungsteil (10) in einer Aussparung (33) der Schale (19) eingesetzt ist und eine die ausgesparte Innenverzahnung (26) des Schaleninneren ergänzende Innenverzahnung (34) aufweist, die mit der Außenverzahnung (35) der Trägerwelle (2) verzahnt ist und das Führungsteil (10) radial formschlüssig mit der Trägerwelle (2) verbindet.
Nockenwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (19) zweiteilig ausgebildet ist, wobei die Aussparung (33) der Schale (19) ein Querschlitz ist, zu dem die Trennebene (36) der beiden Schalenteile (19a, 19b) symmetrisch verläuft.
Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (19) ein endkonturnahes oder nachbearbeitungsfreies Urformteil ist.
Nockenwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (19) aus einem Aluminiumwerkstoff besteht.
Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaleninnere geometrisch aus einem innenverzahnten Halbzylinder und sich tangential an dessen Enden anschließenden Parallelflachs (29, 30) gebildet ist, die zwei Anflachungen (31, 32) auf dem Nockenrohr (23) im wesentlichen spielfrei umgreifen.